O aumento da demanda energética e a sustentabilidade são os principais motivos para a transição energética que, por sua vez, necessita de um sistema de geração, transmissão e distribuição mais eficiente. Para isso, medidas como a digitalização de subestações e a implementação de sistemas inteligentes tornam-se prioridades. Tendo em vista, a redução nos custos e consumo, aumento da eficiência, confiabilidade e segurança.
Na rede elétrica, a digitalização, com a aplicação da automação, permite a supervisão e o comando à distância e com o uso de algoritmos inteligentes, a detecção e diagnóstico de faltas e defeitos, o gerenciamento do fluxo de potência, ocorre de forma mais otimizada e rápida.
Smart Grids
As Smart Grids (redes inteligentes) são redes elétricas mais modernas que permitem a bidirecionalidade do fluxo energético, o que favorece a integração da geração distribuída no sistema elétrico. A Smart Grid é um conceito que une a tecnologia da informação à automação, visando-se obter um controle baseado em dados obtidos através de sensores e medidores inteligentes. Além disso, ainda é possível, através de ferramentas computacionais, realizar decisões de forma automática.
A Smart Grid surgiu com o intuito principal de empoderar a descentralização da geração de energia elétrica, impulsionando a transição energética através da geração a partir de fontes renováveis nas microrredes. Dessa forma, o país diminui a dependência das termelétricas, que emitem gases poluentes através da queima de combustíveis fósseis.
Uma maior eficácia na análise do comportamento da rede e a capacidade de se tomar decisões de forma automática é possível através do uso do Machine Learning (aprendizado de máquina), área da IA (Inteligência Artificial). Por meio desse artifício, é possível adquirir conhecimento de forma automática e tomar decisões baseadas em experiências acumuladas por meio da solução de problemas.
O processo começa pela extração de dados, depois é feito o reconhecimento de padrões, classificação e, por fim, é estabelecido o resultado da saída. Essa saída, no sistema de potência, define a melhor a solução para a previsão de geração e carga, resposta de demanda, cibersegurança, detecção de faltas e proteção.
Redes Neurais Artificiais
As redes neurais artificiais ou RNAs possuem estruturas similares ao do sistema nervoso central e são modelos computacionais que fazem parte do processo da machine learning. As RNAs são capazes de resolver problemas que os humanos não conseguem e em curto espaço do tempo, entre eles: aproximação, predição, classificação, categorização e otimização. Algumas das aplicações da RNA, na rede elétrica, são para previsões de demanda de energia e carga elétrica, processo e controle de qualidade.
A forma de aprendizado mais usada pelo ser humano é o aprendizado indutivo, que se baseia no raciocínio de exemplos e generalização. As neurais também utilizam o método indutivo. O aprendizado indutivo pode ser dividido em supervisionado e não-supervisionado. Ao primeiro é fornecido dados rotulados com a resposta correta, enquanto no segundo, os exemplos fornecidos são analisados, tentando-se agrupar em agrupamentos ou clusters, que depois é organizado de acordo com o significado no contexto do problema que está sendo analisado.
As redes neurais podem ser simples ou profundas, elas possuem camadas de entrada, ocultas e de saída. No caso da RNAs simples, as camadas de entrada recebem os exemplos que são processados e enviados, através dos nós, até a camada oculta ou escondida, que, por sua vez, analisam e processam os dados das entradas e os enviam para as saídas. Por outro lado, as RNAs profundas processam os dados da entrada mais de uma vez, isto é, elas possuem estruturas similares ao do sistema nervoso central, existem múltiplas camadas que processam ainda mais os dados da anterior até se obter o resultado que chegará à saída.
Rede neural em camadas. Fonte: NUTRIMOSAIC. Disponível em: <https://nutrimosaic.com.br/redes-neurais-artificiais-aplicadas-a-zootecnia/>
A RNA simples depende do ser humano para fornecer os dados corretos que serão utilizados na análise, contudo, o principal objetivo de um sistema inteligente é automatizar o máximo possível o processo. Nesse sentido, o aprendizado profundo, por meio da RNA profunda, permite que seja introduzido ao algoritmo apenas dados brutos que, por sua vez, é analisado de forma independente.
Aplicação do aprendizado de máquina no sistema elétrico
O machine learning é utilizado em diversos domínios de aplicações na rede elétrica integrada, como a operação em tempo real, percepção compreensiva e a realização de decisões inteligentes.
A operação em tempo real permite a resiliência do sistema com o mecanismo self healing (auto reparação), que identifica e corrige falhas de forma automática e rápida. Além disso, com operação em tempo real, é possível controlar o armazenamento de energia da geração distribuída, detectar ataques cibernéticos, anomalias de sistema e gerenciar sistemas de diversas fontes de geração.
A percepção compreensiva é dada através da análise do comportamento do consumo de carga; previsão de carga, geração e preço; infraestrutura avançada de medição e a monitoração da condição de equipamentos elétrico.
A realização de decisões inteligentes contribui no planejamento otimizado do sistema; mercado de energia; na vida útil de equipamentos elétricos, condutores e dispositivos de proteção; gerenciamento de risco no sistema elétrico e demanda.
GALLOTTI, V. D. M. Intelligent electric power networks (Smart Grids). Research, Society and Development, [S. l.], v. 10, n. 9, p. e30010918322, 2021. DOI: 10.33448/rsd-v10i9.18322. Disponível em: https://rsdjournal.org/index.php/rsd/article/view/18322. Acesso em: outubro de 2022.
REZENDE, Solange Oliveira. Sistemas Inteligentes: Fundamentos e Aplicações. Barueri, SP: Editora Manole Ltda, 2003. ISBN 8520416837.
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.
Complexo eólico
Origem e história da energia eólica
Sistema antigo que utilizava-se das forças do vento para gerar algum tipo de energia
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.
Partes de um aerogerador
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 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.
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.
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
Estudante de Engenharia Elétrica na Universidade Federal da Bahia, membro do G-SEPi e voluntário do IEEE PES UFBA. Atualmente faz parte dos projetos Pré-SEP e Séries Temporais.
O presente estudo de caso busca apresentar as etapas necessárias para a realização do controle de um conversor CC/CC através do uso de um controlador. Nesse caso, o processo será descrito através de softwares, como Matlab e Typhoon HIL.
O conversor Buck, o qual pode ser visto na figura 1, é caracterizado por ser um abaixador de tensão de modo que a sua tensão de saída é menor que a sua tensão de entrada.
Figura 1 – Conversor Buck
Enquanto isso, os controladores são utilizados em sistemas de malha fechada para controlar o valor de saída desse sistema. Com os devidos ajustes, é possível manter tal valor de forma estável e com erro mínimo. Para isso, deve ser feita a correta escolha para os parâmetros que compõem o referido controlador. Dessa maneira, o sistema deve apresentar um valor de referência de modo em que o controlador possa fazer o valor de saída se aproximar ao máximo desse valor. Ou seja, de forma a minimizar a variável de erro a qual consiste na diferença entre o valor de referência e o valor de saída atual, a representação de tal sistema de malha fechada com um controlador é mostrada na figura 2.
Figura 2 – Esquema de Sistema de Malha Fechada com Controlador
Neste desenvolvimento, será utilizado o controlador P no qual a letra P indica a ação proporcional promovida. Tal efeito é responsável pela promoção de uma resposta com maior velocidade sob variação do valor de referência. Esse controlador pode ser usado para o controle da tensão de saída do conversor ou até mesmo para o controle da corrente no indutor. Neste caso, será efetuado o controle para a tensão de saída do conversor Buck. Desse modo, o processo para se obter a simulação desejada é dado a partir das etapas apresentadas a seguir:
Modelagem do Conversor Buck
A primeira etapa consiste na obtenção da função de transferência do Conversor Buck através de sua respectiva modelagem. No caso do conversor Buck, tal função é conhecida, conforme mostrada na expressão abaixo, e pode ser usada diretamente. Porém, há sistemas em que a função de transferência do sistema é desconhecida e precisa ser obtida (fica como desafio ao leitor confirmar que a função de transferência desse conversor é válida a partir de sua modelagem). É importante ressaltar que a função de transferência se trata da relação entre a entrada e saída de um sistema, as quais são, no caso em questão, respectivamente tensão de saída do conversor Buck e duty cycle.
Obtenção dos Parâmetros do Controlador P
Após encontrar a função de transferência do sistema, faz-se uso do software de simulação MATLAB para se obter o parâmetro necessário para o controlador P (KP). O código para se definir a função de transferência do controlador P está dado a seguir:
Figura 3 – Código do MATLAB
Dessa forma, deve-se utilizar o recurso PID Tuner, presente nesse software. Tal ferramenta recebe como parâmetro a planta a ser controlada através de sua respectiva função de transferência, a qual foi obtida no item anterior. Com isso, é possível definir o tipo de controlador a ser projetado, as características do controle, entre outros. Após definir tais configurações, o parâmetro KP é obtido. As definições referentes ao controlador são mostradas a seguir:
Figura 4 – Características do Controlador
Desse modo, os resultados obtidos são os seguintes:
Figura 5 – Parâmetros do Controlador P
Figura 6 – Esquema de Sistema de Malha Fechada com Controlador
Ressalta-se que a oscilação em torno da amplitude que vale 1 na figura 6 é esperada e se deve ao fato do controlador escolhido ser do tipo P.
Montagem do Sistema de Malha Fechada
Com o parâmetro do controlador P, o código que realiza o controle já pode ser desenvolvido. Para isso, é importante ressaltar que a saída do controlador P (duty cycle) é dado pelo produto entre o parâmetro da ação proporcional e o erro, o qual consiste na diferença entre o valor esperado na saída do sistema e o valor atual:
Dessa maneira, o código, a ser aplicado no bloco de código em C do Typhoon HIL, é mostrado abaixo:
Figura 7 – Circuito do conversor Buck com Controlador P montado no software Typhoon HIL
Com isso, quando o código estiver configurado no bloco C function e o esquemático do circuito estiver montado conforme a imagem a seguir, a simulação pode ser executada.
Simulação do Sistema
Na aba de simulação, denominada HIL Scada, é possível verificar os valores dos parâmetros presentes no sistema em tempo real. Se o arquivo de simulação disponibilizado for utilizado, nota-se que o circuito está reduzindo a tensão de entrada (24V) de modo que o valor de saída se aproxima do valor esperado (12V). É válido perceber ainda que, como o conversor buck é abaixador, a tensão de referência (valor esperado) não pode ser maior que o valor de entrada. Dessa forma, a sessão HIL Scada é apresentada abaixo, assim como o osciloscópio disponível pelo software para visualização dos sinais presentes no sistema:
Figura 8 – Simulação do conversor Buck com o controlador P no software Typhoon HIL
OBSERVAÇÃO: O estudante que for técnico em eletrotécnica está isento do segundo requisito e pode participar do processo em qualquer momento da graduação.
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).
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.
Figura 1 – Formas de onda da portadora e da modulante e estado lógico para cada momento de chaveamento Fonte: Buso & Mattavelli (2015)
Na figura 1, é possível observar a forma de onda da portadora triangular e da modulação (m) com um período Ts de tempo.
Figura 3 – Relação geométrica entre d e m Fonte: Autora (2022)
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/Cpk.
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 Ts/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.
Figura 4 – Modelo de Ponte H completa Fonte: Autora (2022)
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 2VDC.
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.
Figura 5 – Diagrama de blocos da malha de controle Fonte: Buso & Mattavelli (2015)
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.
HART, Daniel W. Eletrônica de potência: análise e projetos de circuitos. McGraw Hill Brasil, 2016.
Estudante de Engenharia Elétrica da UFBA, presidente da IEEE Power and Energy Society UFBA e do G-SEPi. Atualmente faz parte dos projetos Pré-SEP e Protótipo de um Inversor para Aplicações em Sistemas Fotovoltaicos Conectados à Rede.
🏆 No dia 07 de agosto de 2022, o Capítulo Estudantil da UFBA recebeu o reconhecimento de melhor capítulo técnico do Brasil através do prêmio de Capítulo Técnico Exemplar do IEEE Brazil Council Awards. A premiação foi realizada durante a Reunião Nacional de Ramos Estudantis do Brasil. Nós, como grupo, estamos muito felizes com essa conquista, fruto do reconhecimento de todo trabalho que tem sido feito nos últimos anos. É sempre um prazer representar a Universidade Federal da Bahia, a Escola Politécnica da UFBA e levar os benefícios do IEEE Power and Energy Society para a nossa comunidade. Seguiremos produzindo e realizando atividades com a melhor qualidade possível.
Confira abaixo as atividades que levaram o grupo até a conquista deste prêmio.
IEEE Power and Energy Society UFBA
Ramo Estudantil IEEE Federal University of Bahia
IEEE Seção Nordeste Brasil
APRESENTAÇÃO
Foto oficial do Capítulo IEEE PES UFBA
O Capítulo Estudantil IEEE PES Federal University of Bahia foi fundado no ano de 2017 e trabalha com ensino, pesquisa e extensão na área de sistemas elétricos de potência e assuntos correlatos. Atualmente fazem parte do grupo cerca de vinte voluntários estudantes de graduação e mestrado em Engenharia Elétrica e dez professores, entre orientadores de projeto e apoiadores. Entre os anos de 2021 e 2022 o grupo realizou mais de 200 eventos, entre reuniões gerais e de projeto, visitas técnicas, cursos técnicos, palestras, eventos Women in Power, IEEE Day, PES Day e outros. No ano de 2021, a PES UFBA ficou em 14° lugar no HPSBC da R9 e 2° Lugar no Social Media Contest da Power and Energy Society, conquistou também o 1° lugar no PES OVA da Seção Nordeste, obteve duas indicações para o prêmio Destaque de Iniciação Científica UFBA, publicou 12 vídeo-pôsteres em Congressos da UFBA, 3 artigos na Conferência Brasileira em Qualidade de Energia Elétrica, 1 artigo no IEEE Latin America Transactions, 1 artigo no Congresso Brasileiro de Educação em Engenharia e 2 artigos no Simpósio Brasileiro de Automação Inteligente, além de participar de diversos eventos do IEEE a nível seccional, regional e mundial.
ORGANIZAÇÃO INSTITUCIONAL
Entende-se por organização como uma entidade social formada por um grupo de pessoas que trabalham de forma coordenada, com divisão de tarefas e atribuições de responsabilidades, visando um objetivo coletivo. É de grande importância para o funcionamento do grupo, através da organização podemos ver a identidade bem como visão e valores, além de deixar claro as funções e atribuições de cada cargo desempenhado pelos participantes.
A organização institucional do Capítulo Estudantil IEEE PES Federal University of Bahia é formada pelo Conselho, Comissão Administrativa e Corpo Voluntário.
O Conselho é a representação maior do capítulo ao qual caberá todas as tomadas de decisão, composto por todos os professores orientadores e toda comissão administrativa (diretoria cadastrada no Officers Vtools). Dentre as principais atribuições temos: Convocar reuniões extraordinárias, aprovar o ingresso de novos voluntários, estabelecer contatos externos (por exemplo, indústrias e acadêmicos) e deliberar o desligamento ou revogar cargos de membros que não estejam em comprimento com o estatuto vigente.
A Comissão Administrativa é composta por cargos fixos e essenciais para a continuidade dos projetos do grupo, são estes: Presidência, Vice-Presidência, Tesouraria, Secretaria e Webmaster. Ao adquirir experiência e tempo de grupo, um membro do corpo de voluntários pode ser indicado a qualquer um desses cargos, mas nunca a mais de um deles. São obrigações específicas da Comissão Administrativa sem distinção dos cargos: Aprovar novos projetos, criar, extinguir e modificar as coordenadorias de acordo com as necessidades do grupo, nomear cargos de coordenadoria, convocar reuniões ordinárias e julgar a necessidade de confecção de uma ata a depender do caráter da reunião.
Para a Comissão Administrativa tempos as seguintes atribuições:
Presidente: Representar o capítulo, presidir reuniões, coordenar o planejamento estratégico e ter controle sobre as atividades dos outros cargos.
Vice-Presidente: Representar o grupo na ausência do presidente, atuar como ouvidoria para o corpo voluntário, acompanhar e cobrar atividades da presidência e estimular reuniões de integração do corpo voluntário.
Secretaria: A Secretária tem o dever de zelar pelo patrimônio físico do Capítulo Estudantil, cuidar da documentação e ser responsável pela reposição de materiais.
Tesouraria: A pessoa que estiver no cargo da tesouraria deve ter o controle e gerenciamento financeiro das atividades da IEEE PES UFBA, assim como deve manter um relacionamento com a Seção Nordeste no que é referente a administração dos recursos do capítulo financiados pelo IEEE.
Webmaster: Gerir a comissão de marketing que é responsável pela manutenção das redes sociais, site e outros meios de comunicação externos do grupo.
Por fim, temos o corpo voluntariado, composto por todos os alunos integrantes do Capítulo Estudantil IEEE PES Federal University of Bahia, é o grupo responsável pelo desenvolvimento das atividades e projetos e este grupo está dividido em comissões, são elas:
Marketing, Comunicação Visual e Produção de Conteúdo: Gerido pelo webmaster, a comissão é responsável por gerenciar e movimentar todos os meios de comunicação do IEEE PES UFBA.É função desse grupo ficar atento às tendências do Marketing (visando produzir divulgações de amplo alcance), postar e criar conteúdos apropriados e divulgar eventos da PES UFBA.
“Articulação/Relacionamento” e Eventos: É de responsabilidade deste grupo se manter em contato constante com os outros grupos, como o próprio Ramo IEEE UFBA. O objetivo dessas conexões é o de tentar estabelecer parcerias para a realização de atividades e eventos. Uma outra atribuição do grupo está relacionada à organização de eventos, como visitas técnicas, palestras e eventos IEEE. É importante planejar esses eventos com esmero, levando em conta os calendários acadêmicos e a comunicação efetiva com os grupos envolvidos, e atentando-se para a disponibilidade de recursos humanos, físicos e financeiros.
Educação e Extensão: Esse grupo é responsável pela organização de iniciativas educacionais, como cursos e minicursos, ministrados por voluntários ou profissionais convidados, podendo ser gratuitos ou pagos, presenciais ou online.
Projetos Técnicos: Esse grupo vai lidar com projetos técnicos, que devem promover alguma solução relacionada aos Sistemas Elétricos de Potência, mas podem usar da Computação, Programação, Eletrônica e outras áreas da engenharia para serem desenvolvidos.
É importante ressaltar que um voluntário pode fazer parte de mais de uma das comissões e que todas as atribuições supracitadas, descrição detalhada de cada um dos cargos, práticas de convivência, filosofia de trabalho, métodos de comunicação, reuniões, detalhes sobre acompanhamento de atividades e controle de qualidade do grupo estão detalhados no documento “Manual do PES UFBA” disponibilizado para os membros e voluntários após o ingresso no grupo.
ESTRATÉGIA DE DOCUMENTAÇÃO DAS ATIVIDADES
A documentação é uma prática extremamente importante para uma unidade organizacional, contribuindo para uma troca clara de informação entre seus membros e um controle efetivo de desempenho. Dessa forma, o Capítulo Estudantil IEEE PES Federal University of Bahia implementa algumas estratégias visando a constante documentação de suas atividades.
O principal registro de atividades realizado pelo grupo é feito através da elaboração das atas das reuniões gerais. Realizadas semanalmente, as reuniões gerais têm como objetivo principal promover o repasse e a discussão de todas as atividades realizadas pelo grupo ao longo da semana. Assim, cada ata produzida contém um breve relato do que foi desenvolvido em cada um dos projetos do grupo durante aquela semana, bem como de todas as outras pautas discutidas na sessão, como decisões de cunho administrativo, por exemplo.
Além das reuniões gerais, que contam com a presença do capítulo como um todo, as reuniões esporádicas feitas pelos integrantes responsáveis por uma atividade específica também são documentadas. Esses registros são feitos através do preenchimento de um formulário criado na plataforma Formulários Google, e contam com informações como o número de membros e voluntários IEEE presentes, a duração e um relato resumido do encontro.
Para além do registro de reuniões, o grupo mantém também o hábito de armazenar todos os documentos produzidos durante o planejamento e execução de suas atividades, como relatórios de projetos de iniciação científica, roteiros e apresentações de palestras e workshops, manuais para a elaboração de processos seletivos, entre outros.Todos esses documentos são organizados no serviço de armazenamento em nuvem compartilhado utilizado pelo grupo. Dessa maneira, todos os integrantes do capítulo têm à sua disposição um banco de registros das diversas atividades realizadas pelo grupo ao longo de sua história. Para além das fronteiras do grupo, é possível encontrar registros públicos dos projetos (ativos e encerrados), atas de reunião, publicações, atividades e apostilas no site do capítulo. Desta forma, o registro também se torna público para quem possa se interessar em ter conhecimento das atividades que foram e estão sendo realizadas pela equipe do IEEE PES UFBA.
ESTRATÉGICAS DE COMUNICAÇÃO INTERNA E INTEGRAÇÃO DE MEMBROS
A comunicação dentro de um grupo é algo vital para o bom funcionamento do trabalho e manutenção das relações entre os integrantes.
Deste modo, todos os membros são cativados, desde o momento em que se associam ao grupo, a utilizar uma linguagem positiva, clara e verdadeira.
No dia a dia, a principal ferramenta utilizada para comunicação é o Telegram, já que permite um contato rápido e eficiente e dispõe de ferramentas (enquetes, fixação de mensagens, etc) que colaboram para uma comunicação efetiva. Porém, como a integração e harmonia da equipe de trabalho é tão importante quanto os aspectos técnicos dos projetos, costuma-se utilizar tanto grupos focados nas partes técnicas, quanto grupos destinados apenas para conversa e integração.
Tais grupos contam tanto com membros ativos, quanto com ex-membros, o que demonstra que o vínculo criado, suplanta as relações de trabalho exigidas nos projetos.
Além disso, para avisos mais importantes, que devem circular entre outros professores e orientadores, para divulgação e comunicação
com outras entidades ou durante os processos seletivos, utiliza-se o e-mail oficial do grupo e o circular de e-mail interno, no qual estão cadastrados os membros, voluntários e professores colaboradores.
Outra ferramenta usada com muita frequência é o Google Drive. De forma simples e eficaz, ele permite a organização de pastas de acesso controlado e que podem ser acessadas de forma remota. Deste modo, o Drive do grupo possui um segmento com arquivos públicos, onde diversos trabalhos desenvolvidos, como auxílio para disciplinas do curso, ficam a disposição para quem tiver interesse. Por outro lado, existem diretórios restritos aos integrantes do grupo, onde é feito o acervo do que é desenvolvido nos projetos e facilita a organização e dinâmica interna.
De todo modo, apesar das ferramentas tecnológicas serem extremamente úteis e terem possibilitado a continuação das atividades durante a pandemia, a forma mais eficaz e motivadora para comunicação e integração dos voluntários continua sendo o contato pessoal.
Figura 1. Reunião Geral Online (Janeiro de 2022)
Além da convivência durante a semana, o grupo inteiro se reúne semanalmente para discutir o andamento das atividades e as questões que precisam ser tratadas. Tais contatos fortalecem ainda mais as relações interpessoais e permitem que as mensagens sejam transmitidas com clareza, aumentando a eficiência dos processos.
Figura 2. Reunião de acompanhamento do projeto “Pré-SEP”. (29/03/2022)
Finalmente, como forma de complementar a união do time, costuma-se realizar recepções para novos membros e confraternizações (virtuais e presenciais) em espaços fora da universidade. Nela, membros e ex-membros se reúnem e podem aproveitar as relações construídas dentro do ambiente do ambiente de trabalho.
Figura 3. Confraternização de novos membros (Março de 2021)
CAPACITAÇÃO DE VOLUNTÁRIOS
A capacitação de membros e voluntários é de suma importância para o constante crescimento do capítulo e da comunidade acadêmica. Diante disso, o Capítulo Estudantil IEEE PES Federal University of Bahia vislumbra não só capacitar novos integrantes, mas a constante capacitação de integrantes vigentes e da comunidade acadêmica visando a efetiva aprendizagem dos voluntários.
Em primeira instância, possíveis voluntários são capacitados a partir de workshops, palestras, visitas técnicas e apostilas abertas à comunidade, que estão disponibilizadas no site do capítulo de forma gratuita. Os Workshops e palestras são feitos, em sua maioria, através de eventos como o IEEE Day e o PES Day e englobam tópicos como: OpenDSS, Linguagem R e Latex, mobilidade elétrica, micro e minigeração. Já as apostilas têm um enfoque maior para a passagem de conhecimento sobre softwares e conteúdos aplicáveis à área de Sistemas de Potência (SEP) como o ANAFAS e o PowerWorld e a apostila “Pré-SEP”, que apresenta conceitos básicos necessários para o estudo dos SEP. Assim, existe uma contribuição do grupo não só para a capacitação de membros e voluntários, mas também de candidatos em potencial, uma vez que todos os treinamentos, palestras e apostilas produzidos pelo grupo estão disponíveis de forma gratuita através do YouTube e do site oficial da PES UFBA.
Em segunda instância acontece a capacitação dos novos integrantes, que é feita de maneira mais focada no projeto para o qual ele foi alocado. Nessa etapa, os membros mais antigos do projeto ensinam o uso de softwares e conhecimentos necessários para a execução do projeto, seja ele de pesquisa ou ensino. Assim, após sua capacitação, é esperado que o novo integrante tenha habilidades suficientes para dar continuidade ao projeto e, quando necessário, treinar a próxima geração de voluntários.
Por fim, a contínua capacitação de membros e voluntários é feita através de cursos profissionalizantes ministrados por docentes ou palestras internas produzidas pelos membros ou voluntários. Os cursos abordam temas como: otimização em sistemas elétricos de potência, engenharia econômica e dimensionamento de sistema fotovoltaico, ATPDraw, Python, Typhoon HIL, PSIM, Code Composer Studio. Já as palestras abordaram temas como: mobilidade elétrica, sustentabilidade, etc. Desse modo, o capítulo abrange a capacitação dos voluntários em todos os seus estágios: antes de ingressar, ao ingressar e em sua permanência no grupo.
Figura 4. Capacitação de membros do projeto “Protótipo de um Inversor para Aplicações em Sistemas Fotovoltaicos Conectados à Rede”. (Outubro de 2021)
OBTENÇÃO E GERENCIAMENTO DE FUNDOS
O desenvolvimento de um Capítulo Estudantil IEEE PES carece, dentre diversos fatores, de recursos financeiros. A execução de projetos bem como a manutenção da infraestrutura que viabiliza a execução das atividades do Capítulo Estudantil IEEE PES Federal University of Bahia foram, ao longo do tempo, financiadas por verbas provenientes de concursos IEEE ou pela promoção de atividades educacionais mediante taxa de inscrição.
Entre os anos de 2021 e 2022, destacam-se a participação no concurso PES Social Media Contest 2021 e o IEEE PES High Performing Student Branch Chapter Program 2020/2021, que proporcionaram a arrecadação de verba para a atualização dos computadores da sede do grupo e a aquisição de DSPs (Digital Signal Processors) da Texas Instruments . Essas ações foram essenciais para impulsionar o desenvolvimento das atividades de pesquisa, que retornaram ao regime presencial no primeiro semestre de 2022. Destacam-se, também, os cursos de Projeto e Dimensionamento de Sistemas Fotovoltaicos e Otimização Aplicada aos Sistemas de Potência, através dos quais foi possível compartilhar conhecimentos com a comunidade e angariar recursos financeiros que estão à disposição do grupo para realização de atividades.
A organização do fluxo de entrada e saída de recursos do caixa está sob supervisão da Tesouraria do Capítulo Estudantil IEEE PES Federal University of Bahia. A utilização dos recursos obedece às diretrizes estabelecidas pelo IEEE, de modo que somente são realizadas compras que possuam documento fiscal, as quais são armazenadas para consulta e auditoria interna. O registro de toda atividade financeira fica à cargo exclusivo do tesoureiro do capítulo, que as registra em uma planilha de fluxo de caixa, cuja consulta fica à disposição dos membros do grupo.
PLANEJAMENTO DE ATIVIDADES
Planejar as atividades de um grupo possui um papel fundamental dentro de sua estrutura, uma vez que esse é o momento no qual decidimos onde investir o recurso mais precioso, que é o tempo. Dessa forma, o planejamento das atividades incorre, primeiramente, à estrutura organizacional do grupo, que se dá de forma horizontal, sendo que os membros mais ativos possuem cargos de representatividade dentro do Capítulo. Sendo assim, a escolha de membros mais antigos e participativos deve ser unânime entre os participantes, dispensando a realização de eleições.
No início de cada ano, é realizado um planejamento estratégico das atividades baseado na análise SWOT, onde o grupo busca identificar seus pontos fortes, pontos fracos, oportunidades e ameaças, trazendo embasamento para as decisões tomadas pelo grupo. Nesse aspecto, são discutidos os projetos que terão continuidade ou não, os projetos onde haverão reciclagem de membros ou capacitação de novos integrantes, sugestões de novos projetos, melhorias e manutenção do laboratório, oportunidades para captação de recursos financeiros e prêmios acadêmicos, entre outros. A reciclagem de membros refere-se aos participantes que concluíram seu ciclo dentro do grupo, e que são responsáveis por capacitar seus substitutos dentro do projeto no qual estão inseridos.
Para o calendário de atividades, são discutidas datas importantes como PES DAY, IEEE DAY, WIP Day, datas para submissão de prêmios, bem como as datas de realização das reuniões gerais, que ocorrem semanalmente e são documentadas, contendo informações como horário de início da reunião e sua duração, membros participantes, acompanhamento de atividades de cada projeto.
Além das reuniões gerais, cada atividade de pesquisa, conduzida pelo seu próprio professor orientador, possui um calendário específico com deadlines determinadas em reuniões que ocorrem dentro da organização de cada projeto.
Figura 5. Reunião de planejamento do projeto “Práticas nos laboratórios 64 e 65”. (14/12/2021)
Essas reuniões são registradas em formulários, sendo papel da secretaria do Capítulo organizar o ocorrido dentro das reuniões de projeto na ferramenta IEEE Vtools Events e, dessa forma, o grupo possui todas as informações necessárias para a submissão do report anual da PES.
Outras atividades, como faxina e organização da sede, postagens do marketing, previsão para submissão de artigos, cronograma de monitoria são definidas no começo de cada ano ou, dependendo da atividade, de cada semestre, para que os integrantes do grupo consigam se organizar previamente para o cumprimento das atividades planejadas.
Figura 6. Atualização dos computadores da sede do IEEE PES UFBA. Novas peças foram compradas com a verba do IEEE PES HPSBC. (2021)
Figura 7. Organização dos livros da sede do grupo. (Setembro de 2021)
ESTRATÉGIAS DE COMUNICAÇÃO EXTERNA
A maneira como o capítulo estudantil se mostra para o meio externo é decisiva para que seja possível transmitir com eficiência seus valores e a finalidade do grupo.A unidade organizacional compreende a importância de expor seus valores e objetivos à comunidade externa e a outros grupos, dentro e fora da Universidade Federal da Bahia e, para realizar isso, alguns membros do IEEE PES UFBA são responsáveis pelo marketing do capítulo. Assim, entre as estratégias utilizadas para a comunicação, o grupo apresenta um site, o qual contém diversas informações, tais quais o que é o grupo, os objetivos, pilares, linhas de atuação e pesquisa, como fazer parte do grupo, os membros e em quais projetos estão alocados, os principais arquivos e produções disponíveis para serem baixadas, formas de entrar em contato com o grupo, as palestras e eventos, os projetos ativos e encerrados, os prêmios e indicações e agenda do grupo. Além do mais, o site contém conteúdos referentes à PES, sua missão e campo de interesse, o que é o IEEE e os benefícios da membresia. Outra estratégia aplicada pelo grupo para a divulgação se dá através das redes sociais, como Instagram e LinkedIn, a partir de postagens no feed e nos stories. Ambas são frequentemente utilizadas para atualizações referentes às atividades que estão sendo realizadas pela instituição, como projetos, cursos, premiações, indicações, entre outras. O IEEE PES UFBA ainda possui um canal no Youtube, para a publicação de vídeos relativos a atividades e eventos produzidos, como workshops, mesas redondas, tutoriais e outros. Ademais, o grupo possui um um alias @ieee.org, utilizando para comunicação com a comunidade. Por fim, é importante ressaltar que os eventos supracitados são cadastrados na plataforma do VTools Eventos para que os participantes do IEEE possam ter acesso aos eventos promovidos pelo capítulo.
DESENVOLVIMENTO DE PROJETOS E ATIVIDADES
Durante o ano de 2021 até o presente momento em 2022, o Capítulo Estudantil IEEE PES Federal University of Bahia promoveu diversos cursos e palestras, onde em alguns desses eventos houve colaboração com grupos e entidades de outras instituições para a realização dos mesmos. Através das reuniões ordinárias semanais, um pequeno comitê é feito com alguns membros do grupo, e esse comitê é responsável por dividir as atribuições pelas quais cada membro ficará responsável. Além disso, caso o evento seja feito em colaboração com outras instituições, o comitê também é responsável por entrar e manter contato com as mesmas. O gerenciamento do andamento dessas atividades é feito através de documentos de texto, planilhas, reuniões entre os membros do comitê e, das próprias reuniões ordinárias semanais do grupo, onde é feito o repasse e discussão do que aconteceu na semana entre todos os membros.
Além da promoção de eventos, o grupo possui algumas atividades contínuas, que são projetos de pesquisa, atividades administrativas (responder e enviar e-mails, criar planilhas, produção de materiais de divulgação do grupo) e atividades de ensino.
Todos os membros do Capítulo Estudantil IEEE PES Federal University of Bahia desenvolvem de projetos de pesquisa, que possuem um professor orientador responsável por guiar os orientandos e estabelecer as metas do projeto e, os orientandos que, por sua vez, devem seguir o cronograma estabelecido pelo orientador, realizando as atividades estipuladas (revisão bibliográfica, criação de algoritmos, simulações, resultados e elaboração de relatórios e artigos). O gerenciamento dos projetos é feito através de reuniões entre orientador e orientandos, grupos criados em mensageiros instantâneos e repasses ao capítulo através das reuniões ordinárias semanais. A Tabela 1 contém um resumo dos projetos de pesquisa desenvolvidos pelo capítulo.
Projeto
Resumo
– Séries Temporais
Utiliza a modelagem de séries temporais para descrever e fazer a previsão de fontes de energia como a radiação solar e a velocidade do vento.
– SIPLA
Desenvolvimento de um software em python para a aplicação de um estudo de qualidade de energia, sobretudo do impacto da geração distribuída fotovoltaica.
– Proteção no ATP
Simulação da proteção diferencial de redes de distribuição com uso da Transformada de Park através do software ATPdraw.
– Modelagem de Máquinas
Elaboração do modelo em SImulink de aerogeradores e seus respectivos dispositivos de controle.
– Protótipo de Inversor
Elaboração e construção do protótipo de um inversor para aplicação em sistemas fotovoltaicos conectados à rede.
– Emulador de Painel Fotovoltaico
– Projeto com o objetivo de desenvolver um emulador de painéis fotovoltaicos, utilizando um conversor estático de corrente contínua buck-boost a quatro chaves.
– Inércia Sintética
– Implementação de inércia sintética em aerogeradores.
Tabela 1 – Projetos de Pesquisa
Figura 8. Atividade no laboratório de Máquinas Elétricas da UFBA. (Dezembro de 2021)
O grupo também possui uma atividade de ensino chamada Pré-SEP, onde alguns dos membros auxiliam o professor da disciplina “Sistemas de Potência I” do curso de Engenharia Elétrica da Universidade Federal da Bahia, através da confecção de material didático e monitoria semanal ao longo do semestre. O gerenciamento dessa atividade é feito por meio de reuniões entre o docente e monitores, e da própria reunião ordinária semanal do grupo.
Já as atividades administrativas, são feitas por alguns membros que são responsáveis pelos e-mails e redes sociais do grupo e, confecção de material gráfico para as mesmas. O gerenciamento é feito através de um grupo criado em mensageiro instantâneo por esses membros e em repasses nas reuniões ordinárias semanais do capítulo.
Todas as atividades de pesquisa do grupo têm aplicações práticas que podem promover o desenvolvimento no sistema elétrico de potência nos quesitos geração, planejamento, qualidade de energia, proteção, etc, gerando naturalmente um impacto social importante. Além disso, as atividades de ensino trazem um incremento na qualidade do aprendizado dos estudantes que participam, que entram em contato com temas não tratados ou se aprofundam nos assuntos do curso de engenharia elétrica. Por fim, os eventos e atividades de divulgação atraem estudantes tanto para a área de engenharia como para a ênfase em potência e as atividades de pesquisa. Com tudo isso, muitas pessoas são, ou podem ser, beneficiadas pelas atividades realizadas pelo grupo.
Figura 9. Prática do projeto “Desenvolvimento de um Emulador de Painel Fotovoltaico utilizando um Conversor CC-CC Buck-Boost”. (Dezembro de 2021)
PARCERIAS
Para promover o desenvolvimento de atividades que possuíam como objetivo o desenvolvimento do capítulo e de seus membros, o IEEE PES UFBA realizou, durante o último ano, diversas atividades em conjunto com outras instituições, Capítulos, Ramos e Entidades Estudantis. o capítulo IEEE PES UFBA desenvolveu ao longo do último ano diversas atividades, firmando mais de 20 parcerias que promoveram a capacitação e o desenvolvimento de toda a comunidade estudantil.
PARTICIPAÇÃO EM EVENTOS E CONCURSOS IEEE
O IEEE PES UFBA anuncia, na seção de informes da sua reunião geral, sempre que há um evento ou oportunidade do IEEE com inscrições abertas e incentiva seus membros e voluntários a participarem das reuniões, treinamentos e concursos existentes. No ano de 2021, os integrantes do grupo participaram de eventos como a Reunião Nacional de Ramos, Reunião Seccional de Ramos, SBRM, o PES HPSBC Global orientation session (organizado pelo PES CSAC), sempre marcando presença nos treinamentos e em reuniões destinadas aos capítulos.
Figura 10. Reunião de Capítulos PES na RNR 2021
Figura 11. Reunião de Capítulos Técnicos na RSR 2021
Entre os anos de 2021 e 2022 também houveram duas reuniões de capítulos (uma apenas para capítulos PES e outra para todos os capítulos estudantis) realizadas pelos representantes de capítulos estudantis do SAC da Seção Nordeste, onde os membros da diretoria da PES UFBA estiveram presentes e puderam compartilhar experiências e tirar dúvidas com os representantes do SAC e membros de outros capítulos técnicos. Estes eventos, assim como as reuniões regionais e nacionais, têm um efeito extremamente positivo para os membros, que podem tirar suas dúvidas e acabam ficando mais animados com as atividades da sociedade e da Seção. Além disso, o grupo vem, cada vez mais, incentivando a participação dos membros em prêmios coletivos e individuais. No ano de 2021, o grupo esteve presente no PES High Performing Student Branch Chapter, obtendo a 14ª colocação da R9 com premiação de 200 dólares, e no PES Social Media Contest, onde obtiveram a segunda colocação entre todos os capítulos PES estudantis do mundo, com a premiação de 400 dólares. Integrantes do grupo, por incentivo coletivo, também marcaram presença participando de premiações individuais, como o Prêmio Antônio Bastos 2021 da Seção Nordeste Brasil (onde uma voluntária da PES UFBA obteve 1° lugar), o PES Outstanding Volunteer Award da PES Seção Nordeste Brasil (que em 2020 um voluntário da PES UFBA obteve menção honrosa e em 2021 uma voluntária obteve o 1° lugar) e o concurso de Voluntário SM Exemplar do Conselho Brasil (onde, em 2021, uma voluntária da PES UFBA obteve menção honrosa).
Figura 12. Recebimento do Prêmio IEEE PES Outstanding Volunteer Award da PES Seção Nordeste Brasil, entregue pelo Ex-Presidente do Capítulo PES Seção Nordeste Brasil (Abril de 2022)
INCENTIVO À MEMBRESIA
Como forma de incentivar o crescimento do número de membresias no grupo, são realizadas diversas atividades.
Divulgação em reuniões: Nas reuniões gerais e de projetos são anunciadas as oportunidades para voluntários IEEE, destacando sempre os benefícios de possuir a membresia IEEE e a membresia PES. Os cupons de desconto disponibilizados pelo instituto e pela sociedade também são sempre relembrados para os voluntários.
Descontos em cursos e workshops: Uma outra estratégia para desenvolvimento de membresias se trata de descontos em cursos realizados pela PES UFBA para arrecadação de fundos, ou seja, quando é cobrada uma taxa de inscrição, os membros IEEE possuem descontos que tornam a afiliação vantajosa.
Distribuição de brindes IEEE e IEEE PES: O Instituto de Engenheiros Eletricistas e Eletrônicos, por meio dos Ramos Estudantis, oferecem brindes que ajudam a divulgar o nome do instituto e a despertar o interesse dos estudantes da universidade para fazer parte do grupo. A diretoria da PES Federal University of Bahia está sempre em contato com a diretoria do Ramo Estudantil IEEE UFBA para que os brindes disponibilizados pelo IEEE sejam solicitados e distribuídos para os membros do capítulo como forma de incentivo e divulgação. Outros brindes e acessórios, como adesivos e camisetas também são confeccionados pelo capítulo estudantil.
Divulgação dos benefícios da membresia e cupons através das redes sociais: O capítulo PES UFBA, sempre muito presente nas redes sociais, faz em seus meios de comunicação, o compartilhamento de postagens e stories que destacam os benefícios das membresias e também os cupons de descontos disponibilizados pelo IEEE.
Publicação de artigos em revistas IEEE e participação em congressos: Outra forma de incentivar os estudantes a realizarem a membresia, é a divulgação de congressos relacionados com a Sociedade de Energia e Potência, que possuam descontos para membros IEEE, além do incentivo a publicações científicas em revistas do Instituto de Engenheiros Eletricistas e Eletrônicos.
Ademais, a gestão do capítulo está responsável por incentivar os voluntários a se tornarem membros IEEE e ocuparem espaços na diretoria do capítulo, Ramo Estudantil, grupos de afinidade e outras unidades do IEEE, como o Comitê de Atividades Estudantis.
Figura 13. Totem de divulgação dos benefícios da membresia na sede do IEEE PES UFBA. (Fevereiro de 2022)
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.
Sistema elétrico simplificado.
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).
Projeção do crescimento do consumo de energia ao longo dos anos.
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.
A apostila Pré-SEP foi um dos primeiros materiais desenvolvidos no e grupo e deu origem ao Curso Pré-SEP, já realizado diversas vezes pelo Grupo de Sistemas Elétricos de Potência Integrados (G-SEPi) e pelo IEEE PES UFBA. O curso já foi ministrado por diversos ex-membros e também pelo professor Paulo Bastos, um dos orientadores do projeto Pré-SEP.
Hoje, como forma de quebrar as barreiras geográficas e eternizar este curso, os atuais membros do projeto divulgam o Curso Pré-SEP online, que será ministrado pelos atuais monitores da disciplina e abordará os conteúdos da apostila e seguirá com o intuito de preparar os estudantes que irão fazer a disciplina de Sistemas Elétricos de Potência, abordando conceitos como revisão matemática, revisão de circuitos, representação dos SEP e por unidade (PU).
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
Estudante de Engenharia Elétrica na UFBA, membro do G-SEPi e da IEEE Power and Energy Society (PES), ex-membro dos projetos de extensão Onda Elétrica e BAJA SAE Brasil na UFBA.
