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A Geração Distribuída (GD) pode ser compreendida como produção de energia elétrica próxima ao local de consumo. A demanda pelas fontes de energia renováveis cresce mundialmente, devido a diversos incentivos governamentais, fatores ambientais e ao aprimoramento da tecnologia neste setor, e diferentes tipos de geração estão sendo introduzidos no sistema elétrico. Alguns exemplos de geração distribuída são as pequenas centrais hidrelétricas, biomassa, geradores eólicos e sistemas fotovoltaicos.

Dentre as fontes de energia citadas, uma das formas de GD mais promissoras atualmente é a utilização de sistemas fotovoltaicos para a produção de energia elétrica, devido a fatores como desenvolvimento desta tecnologia e reduções nos custos dos painéis solares. Na Figura 1.1 é mostrado o crescimento da energia solar fotovoltaica no mundo de 2000 a 2013, sendo esse crescimento bastante significativo. De acordo com a European Photovoltaic Industry Association (EPIA), em 2012 a capacidade mundial instalada de energia solar fotovoltaica no mundo alcançou 100GW, e em 2013 passou a 138GW. Destes valores, no ano de 2012, 70GW de capacidade instalada se localizavam na Europa, e em 2013 esse número passou a 81GW na mesma região. Já os países do continente americano somaram uma capacidade de 8GW em 2012, valor que passou a 13GW no ano de 2013.

Figura 1.1 - Evolução acumulada da capacidade instalada de energia solar fotovoltaica no mundo, de 2000 a 2013, em MW.

Fonte: Adaptado de EPIA, 2014.

No Brasil, partir do ano de 2012, esta fonte de energia passou a ter maior destaque, com a aprovação da Resolução Normativa nº 482 da Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL), que trata do acesso da microgeração (potência inferior ou igual a 100kW) e minigeração (potência maior que 100kW e menor ou igual a 1MW) distribuída diretamente à rede de distribuição. Estas centrais geradoras podem ser instaladas em casas, escolas, empresas, dentre outras localizações em que haja incidência da luz solar.

1.2.1 Benefícios da geração distribuída

A GD oferece muitos benefícios ao sistema elétrico e, atualmente, são muitos os incentivos para a produção de energia elétrica através de fontes de energia próxima ao consumidor, visando menores impactos ambientais e dependência por combustíveis fósseis. Alguns benefícios trazidos pela GD são (INEE, 2002; PADILHA, 2010):

 Atendimento mais rápido ao crescimento da demanda por ter um tempo de implantação inferior ao de acréscimos à geração centralizada e reforços das respectivas redes de transmissão e distribuição;

 Aumento da confiabilidade do suprimento aos consumidores próximos à geração local, por adicionar fonte não sujeita a falhas na transmissão e distribuição;

 Redução das perdas na transmissão de eletricidade e dos respectivos custos, e adiamento no investimento para reforçar o sistema de transmissão (PADILHA, 2010);

 Redução dos investimentos:

- para implantação, inclusive os das concessionárias para o suprimento de ponta, dado que este pode passar a ser compartilhado (peak sharing);

- em certos casos, também para reservas de geração, quando estas puderem ser alocadas em comum;  Redução dos riscos de planejamento do sistema;  Aumento da estabilidade do sistema elétrico, nos

casos em que haja reservas de GD constituídas por máquinas síncronas de certo porte;

 Aumento da eficiência energética, redução simultânea dos custos das energias elétrica e térmica, e possibilidade de colocação dos excedentes da primeira no mercado;

 Redução de impactos ambientais da geração, pelo uso de combustíveis menos poluentes com a melhor utilização dos combustíveis tradicionais e, em certos tipos de cogeração, com a eliminação de resíduos industriais poluidores;

 Benefícios gerais decorrentes da maior eficiência energética obtida pela conjugação bem coordenada da geração distribuída com a geração centralizada, e das economias resultantes;

Maiores oportunidades de comercialização e de ação da concorrência no mercado de energia elétrica, na diretriz das leis que reestruturaram o setor elétrico.

1.2.2 Impactos da geração distribuída

Um dos maiores desafios no planejamento de sistemas de distribuição com GD é o fornecimento confiável e alta qualidade de energia através de previsões de geração e carga ao longo do tempo. Como a GD sofre grande variação com o decorrer do tempo, estas análises podem se tornar mais complexas, e problemas decorrentes de sua interligação podem ocorrer.

Um problema que pode ser ocasionado pela GD ocorre em redes de distribuição em que a potência gerada pelo sistema de GD excede a demanda total da rede, ocorrendo o fenômeno do fluxo de potência reverso no transformador da subestação, ou seja, o sentido do fluxo de potência se inverte, passando das cargas para a subestação. Tal inversão geralmente é acompanhada de um aumento na magnitude da tensão, o que pode causar violações de tensão, além de poder interferir no sistema de proteção da rede. Outra dificuldade encontrada pela GD é a sua alocação, que pode tanto ocasionar uma minimização das perdas totais do sistema como também o aumento destas perdas, se não for realizada corretamente.

Além dos impactos já destacados, a GD pode ocasionar problemas relacionados à qualidade de energia, como por exemplo, o surgimento de flicker (flutuações de tensão), componentes harmônicas (devido ao aumento de dispositivos de eletrônica de potência nos sistemas de distribuição), variações de frequência e aumento do desequilíbrio de tensão entre as três fases do alimentador, para o caso de GD monofásica.

1.3 OBJETIVOS

Na Seção 1.2 mencionou-se a grande importância da produção de energia através de sistemas fotovoltaicos. Apesar das grandes vantagens que apresenta, este tipo de geração pode trazer problemas à rede onde está interligado. Os desafios ao se

realizar estudos de interligação de geração distribuída à rede elétrica são muitos, uma vez que cada rede possui cenários de operação distintos e cada caso deve então ser avaliado em particular. Embora cada caso seja único, antes de serem conectados ao sistema de distribuição, projetos envolvendo sistemas fotovoltaicos devem passar por um estudo de interconexão detalhado para prever os tipos de impactos que estes sistemas podem trazer à rede á qual estão conectados e então, se necessário, buscar alternativas.

O impacto no perfil de tensão na rede é um dos principais a ser analisado (RIM et al., 2011; BARAN et al., 2011; VON APPEN et al., 2013), pois limites de tensão são impostos aos sistemas elétricos e devem então ser atendidos. Anteriormente a esta análise, é importante realizar um estudo de alocação ótima da geração fotovoltaica, pois a escolha correta da barra para sua interligação pode ajudar a diminuir as perdas do sistema (HADJSAID, CANARD, DUMAS, 1990; GUEDES, 2013). Uma má escolha poderia ocasionar o efeito contrário, ou seja, o crescimento das perdas. Entretanto, é importante ressaltar que em alguns casos o estudo de alocação não é possível de ser realizado, como por exemplo, no caso de residências particulares, em que o proprietário não tem esta opção.

Este trabalho tem como objetivo principal o estudo dos impactos de um sistema fotovoltaico com potência de 1,0 MWp em uma rede de distribuição trifásica de média tensão, considerando os casos de cargas equilibradas e cargas desequilibradas. Isto é efetuado através de análises conhecidas como Quasi-Static Time-Series Analysis (QSTS), um subconjunto de análises de fluxo de potência, que são então comparadas às análises no modo estático, sendo estas frequentemente utilizadas. Os impactos analisados são referentes às perdas nas linhas, ao perfil de tensão na rede e à curva de posição do tap de transformadores da subestação, para o caso em que são utilizados transformadores com comutação

automática de tap. Não são considerados transformadores de baixa tensão, as análises são feitas apenas na média tensão. Considera-se ainda que o sistema fotovoltaico esteja durante todo o tempo conectado à rede elétrica, não sendo analisados casos de ilhamento e desconexão do inversor.

A maioria das ferramentas de análise do fluxo de potência são limitadas a instantes críticos, como picos de carga ou carga mínima, ou outras condições escolhidas para avaliar o comportamento dos sistemas de potência. As análises estáticas convencionais são efetuadas neste documento com o auxílio do Programa de Análise de Redes, ou ANAREDE (CEPEL, 2009). Este programa considera somente sistemas elétricos equilibrados e, portanto, o fluxo de potência é efetuado apenas para uma das fases. Para obter os resultados para as outras duas fases restantes, basta aplicar as defasagens de +/- 120 graus.

Entretanto, os sistemas de distribuição são em sua maioria trifásicos desequilibrados, e apresentam grande variabilidade em sua demanda ao longo do tempo. Os sistemas fotovoltaicos também tendem a sofrer grandes variações de potência em curtos intervalos de tempo, devido principalmente ao sombreamento dos painéis solares. Devido a estas grandes variações apresentadas pelas cargas e pela geração, torna-se necessário utilizar ferramentas que proporcionem modelagens e obtenção de resultados mais detalhados e refinados. É interessante avaliar a interação entre a variação diária de geração e de carga de forma contínua ou sequencial, e observar seu efeito na operação do sistema, assim como considerar condições de carga desequilibradas.

Análises QSTS correspondem a resoluções sequenciais de fluxo de potência que possibilitam determinar variações temporais de tensões em barras de sistemas elétricos, considerando na solução do problema dados históricos ou estimados de variações de carga e de geração, além da modelagem das características operacionais de determinados componentes. Portanto, tal metodologia suplanta a metodologia

clássica de análise estática de fluxo de potência realizado na rede apenas em determinados instantes considerados críticos, oferecendo resultados mais precisos, detalhados e com maior resolução. A ferramenta utilizada para tais análises é o Open Distributed Systems Simulator (OpenDSS), um simulador de sistemas de distribuição desenvolvido pelo Electric Power Research Institute (EPRI, 2013).

A principal contribuição deste trabalho se encontra no fato de que as simulações são realizadas tanto no modo estático convencional quanto em um modo “quase estático”, através das análises QSTS. Isto permite realizar uma comparação entre as diferentes ferramentas existentes e verificar as vantagens das análises QSTS sobre as análises convencionais, assim como a precisão de seus resultados em sistemas em que é necessário analisar com maior exatidão a interação entre carga e geração. Os estudos aqui apresentados servem como base para análises a serem realizadas ao efetuar-se a interligação de um sistema fotovoltaico à rede.