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Universidade Federal de Santa Catarina
Deparamento de P´os-Gradua¸c˜ao em Engenharia El´etrica
TRABALHO ORIENTADO:
Prote¸c˜ao Adaptativa de Microrredes
Diogo V. Jo˜ao
Relat´orio submetido `a avalia¸c˜ao da disciplina de T´opico Orientado (TO), o qual disp˜oe da discri¸c˜ao dos principais aspectos e de uma revis˜ao bibliogr´afica acerca da influˆencia de conversores eletrˆonicos no que tange aspectos de prote¸c˜ao de microrredes.
Professor Dr. Miguel Moreto
FLORIAN OPOLIS - SC´
19 de novembro de 2018
Sum´ario
- 1 Introdu¸c˜ao
- 1.1 Apresenta¸c˜ao dos Problemas
- 1.1.1 Gera¸c˜ao e Armazenamento de Energia em Microrredes
- 1.1.2 Capacidade de Fault Ride-Through - FRT
- 1.1.3 Modos de Opera¸c˜ao
- 1.1.4 Controle e Opera¸c˜ao dos Conversores Eletrˆonicos
- 1.1.5 Prote¸c˜ao Adaptativa em Microrredes
- 1.1.5.1 Comunica¸c˜ao e Protocolos para Prote¸c˜ao Adaptativa
- 2 C´alculo de Curto-Circuito sob a Influˆencia de Conversores Eletrˆonicos
- 2.1 M´etodos Baseados em Componentes Sim´etricas
- 2.2 M´etodos Baseados na estrat´egia de controle DQ
- 2.3 Outros An´alises de Curto-Circuito na Literatura
- 2.4 Comportamento de gera¸c˜ao Tipo 3 e Tipo 4 na presen¸ca de Faltas
- 2.4.1 An´alise de Faltas Trif´asicas
- 2.4.2 An´alise de Faltas Desbalanceadas
- 3 Prote¸c˜ao de Microrredes: Revis˜ao Bibliogr´afica
- 3.1 Prote¸c˜ao Adaptativa
- 3.1.1 Comunica¸c˜ao voltada `a Prote¸c˜ao Adaptativa
- 3.2 Rel´e de Sobrecorrente (50/51) para Prote¸c˜ao de Microrredes
- 3.3 Necessidade do Conhecimento da Dire¸c˜ao da corrente e o Rel´e
- 3.3.1 Prote¸c˜ao Direcional sem Medi¸c˜oes de Tens˜ao
- 3.4 Uso dos Rel´es de Sobretens˜ao (59) e Subtens˜ao (27)
- 3.4.1 Mescla dos rel´es 51, 67 e 27 na Prote¸c˜ao de Microrredes
- 3.5 Aplica¸c˜ao do Rel´e de Distˆancia (21)
- 3.6 Rel´e Diferencial (87) em Microrredes
- 3.7 Outras Abordagens na Prote¸c˜ao de Microrredes
- 3.8 T´ecnicas de Coordena¸c˜ao em Microrredes
- 3.9 Projetos Atualmente Empregados
- 3.10 Normas e Legisla¸c˜oes Vigentes
- 3.11 Considera¸c˜oes Finais sobre o Cap´ıtulo
- trados na Literatura 4 Estrutura e Parˆametros dos Elementos Modelados em Microrredes Encon-
- 4.1 Forma¸c˜ao de uma microrrede
- 4.1.1 Estrutura das Unidade de GD
- 4.1.1.1 Aspectos de Gera¸c˜ao Solar
- 4.1.1.2 Aspectos de Gera¸c˜ao E´olica
- 4.1.1.3 Aspectos de Cargas, Linhas de Transmiss˜ao e Transformadores
- 4.2 Layout Encontrados na Literatura
- 5 Conclus˜oes
1.1.1 Gera¸c˜ao e Armazenamento de Energia em Microrredes
Microrredes s˜ao geralmente formadas por fontes de energias renov´aveis do tipo solar e e´olica e apresentam elementos de armazenamento de energia. H´a ainda a possibilidade de utilizar fontes geot´ermicas, gera¸c˜ao combinada de calor, pequenas hidroel´etricas entre ou- tras. Agregando estas fontes renov´aveis a rede de distribui¸c˜ao do sistema el´etrico, o conceito de Gera¸c˜ao Distribu´ıda (GD) ´e formado. A utiliza¸c˜ao de Conversores Eletrˆonicos (CE) na interliga¸c˜ao da rede el´etrica com a gera¸c˜ao solar, e´olica e baterias faz surgir novos desafios relacionadosa prote¸c˜ao das redes de distribui¸c˜ao, tanto em modo ilhado quanto em modo conectado. Dependendo da forma de convers˜ao da energia e´olica, diferentes tipos de estruturas s˜ao formada. Esta diferen¸ca se baseia na tecnologia do gerador el´etrico empregado na turbina. GDs com gerador de indu¸c˜ao do tipo Gaiola e gerador de indu¸c˜ao bobinado s˜ao denominadas de GDs do Tipo 1 e do Tipo 2, respectivamente. Ao utilizar gerador de indu¸c˜ao de dupla alimenta¸c˜ao (Doubly Fed Induction Generator -DFIG ), obt´em-se a GD do Tipo 3. GD do Tipo 4 ´e formado por geradores de indu¸c˜ao, gerador de im˜a permanentes ou gerador sincrono de campo ajust´avel, por´em, sua caracter´ıstica fundamental ´e a utiliza¸c˜ao de CE em escala completa. Devido esta caracter´ıstica do Tipo 4, ´e encontrado na literatura a inclus˜ao de gera¸c˜ao fotovoltaica por apresentar a mesma caracter´ıstica [1]. A Figura 1 ilustra os Tipos de GD.
(a) Gera¸c˜ao Tipo 1 (b) Gera¸c˜ao Tipo 2
(c) Gera¸c˜ao Tipo 3 (d) Gera¸c˜oes Tipo 4
Figura 1: Ilustra¸c˜ao das formas de GD.[2]
GD do Tipo 1 n˜ao exige uma metodologia precisa de controle e sua opera¸c˜ao ´e simples e bem conhecida h´a tempos. A desvantagem do Tipo 1 ´e sua necessidade de absorver potˆencia reativa da rede para sua magnetiza¸c˜ao. Assim, geralmente ´e utilizado banco de capacitores para prover potˆencia reativa e operar o gerador pr´oximo ao fator de potˆencia unit´ario. Outras desvantagem deste tipo de gera¸c˜ao ´e a alta corrente inicial, fazendo com que seja necess´ario a instala¸c˜ao de equipamentos soft starter. GD do Tipo 2 tem seu controle realizado atrav´es de uma resistˆencia vari´avel incorporada
no circuito do rotor da m´aquina. Esta resistˆencia controla o escorregamento e o torque de forma mais ampla que o gerador do Tipo 1. E necess´´ ario tamb´em para o Tipo 2, banco de capacitores e dispositivos soft starter para resolver as mesmas desvantagens do Tipo 1. GD do Tipo 3 utiliza rotor bobinado semelhante ao Tipo 2, por´em n˜ao se enquadra no principio de indu¸c˜ao para a magnetiza¸c˜ao de campo. Ao inv´es disto, ´e utilizado CE para o controle do campo do rotor. O conversor faz liga¸c˜ao tanto com o rotor quanto com o estador e ´e capaz de ou absorver potˆencia ou fornecer potˆencia ao rotor dependendo do ˆangulo de chaveamento do CE. Quando a m´aquina do Tipo 3 opera com velocidade acima da velocidade s´ıncrona, potˆencia ´e absorvida do rotor pelo CE de modo similar ao que ocorre com o resistor do Tipo 2, por´em, o CE neste caso entrega a potˆencia absorvida para a rede ao inv´es de dissipa-la aumentando sua eficiˆencia. Por outro lado, quando a velocidade do rotor est´a abaixo da velocidade s´ıncrona, o conversor fornece potˆencia ao rotor no mesmo tempo em que fornece potencia ativa a rede pelo estator. Operando em velocidade iguala velocidade s´ıncrona, o conversor fornece corrente cont´ınua ao rotor, fazendo com que atue como um gerador s´ıncrono. GD do tipo 4 utiliza CE em toda a transi¸c˜ao de potˆencia entre gera¸c˜ao e rede, ou seja, toda potˆencia entregue na rede ´e derivado de conversores. Desta forma, potˆencia gerada em qualquer frequˆencia pode ser aproveitada, permitindo uma grande faixa de velocidade da turbina ou a utiliza¸c˜ao de gera¸c˜ao fotovoltaica. Assim, caixa de engrenagem pode ser eliminada do sistema se utilizar geradores com m´ultiplos polos. O Controle do Tipo 4 pode ser adaptado para fornecer ou consumir potˆencia reativa, agindo como um compensador est´atico. Em rela¸c˜ao `a gera¸c˜ao fotovoltaica, os CE permitem utilizar a t´ecnica de Maximmum Power Point Track (MPPT), dispondo de maior rendimento da convers˜ao da energia solar em el´etrica. O comportamento mediante falta das GDs do Tipo 1 e Tipo 2 s˜ao semelhantes aos con- vencionais geradores de indu¸c˜ao s´ıncrono. Por´em, os Tipos 3 e Tipo 4, devido ao emprego de CE, tem seus comportamentos relacionados com o algoritmo e a forma de controle empregado no conversor e muitos estudos s˜ao realizados na tentativa de modelar tais comportamento. Uma abordagem bastante utilizada na literatura ´e modelar o comportamento destas formas de GD atrav´es de uma fonte de corrente de sequˆencia positiva durante a falta, com valores de amplitude de corrente apenas pouco maior que seu valor nominal[2].
1.1.2 Capacidade de Fault Ride-Through - FRT
Algo a ser avaliado mediante curto-circuito ou contingˆencias na rede el´etrica, ´e a capaci- dade dos geradores se manter operando durante um certo per´ıodo de tempo sem prejudicar a estabilidade e a qualidade do servi¸co prestado pela rede. A esta capacidade se estabelece` o termo Fault Ride-Through (FRT) ou mais especificadamente Low Voltage Ride-Through (LVRT). E pratica em pequenas microrredes, a desconex˜´ ao da gera¸c˜ao na presen¸ca de uma falta e sua restitui¸c˜ao ´e realizada a partir do momento em que a falta ´e resolvida, por´em, para microrredes com capacidades maiores, a desconex˜ao da gera¸c˜ao pode provocar instabilidade na rede, assim, se estabelece a LVRT para sistemas com grande penetra¸c˜ao de GD, evitando desta maneira que ocorra trips desnecess´arios quanto a falta ´e prontamente isolada pelo sis- tema de prote¸c˜ao [2]. A Figura 2 apresenta um exemplo da curva de capacidade da LVRT, mostrando os valores de tens˜ao relacionado-os ao tempo de permanˆencia da falta. Em circunstˆancias de curto-circuito, as tens˜oes de barra tendem a diminuir, provocando
[7], [8]. Do ponto de vista dos CE, um modo particular para o carregamento das baterias ´e apresentado em [9], onde para garantir o suprimento da carga por parte dos CE, independen- temente da rede estar conectada ou ilhada, estes apresentam configura¸c˜oes bidirecionais de fluxo.
1.1.4 Controle e Opera¸c˜ao dos Conversores Eletrˆonicos
Esta se¸c˜ao se mostra necess´ario uma vez que a prote¸c˜ao de uma microrrede ´e fortemente relacionada com a metodologia empregada no controle dos Conversores Eletrˆonicos (CEs) utilizados para interligar as diferentes fontes de GD (Gera¸c˜ao Distribu´ıda) e Sistema de Ar- mazenamento de energia. De maneira geral, os CEs podem apresentar caracter´ısticas de controle estabelecendo ou perfil de potˆencia ativa e reativa constantes ou perfil de tens˜ao e frequˆencia contante. Uma terceira maneira de empregar os CEs ´e controlando-os de maneira a reproduzir as caracter´ısticas de um sistema convencional, formado por grandes geradores s´ıncronos, onde uma varia¸c˜ao no valor de potˆencia ativa altera a frequˆencia da rede e uma varia¸c˜ao no valor de potˆencia reativa altera a tens˜ao de sa´ıda. Este tipo de controle ´e chamado de droop control. Dado que uma microrrede pode operar tanto em modo conectado a rede quanto em modo ilhado, diferente controle deve ser imposto para cada modo. Quando conectadoa rede, esta imp˜oe a tens˜ao e a frequˆencia de referˆencia para a microrrede, logo, os CEs atuam como controladores de potˆencia (Controle PQ) ou atrav´es do droop control. Por outro lado, em modo ilhado, os CEs necessitam manter as caracter´ısticas de tens˜ao e frequˆencia constantes, desta forma, o controle da microrrede deve ser alterado para um modo de controle V/f. H´a duas formas gerais de se estabelecer o controle V/f em uma microrrede no modo ilhado, nomeados como Master-Slave e Peer-to-Peer [3]. Na configura¸c˜ao Master-Slave, um dos CEs da microrrede isolada ´e escolhido para realizar o controle V/f (Master ), providenciando referencias de tens˜ao e frequˆencia para os outros CEs (Slave) do sistema isolado operando como controladores PQ. Esta configura¸c˜ao de controle est´a representada na Figura 3(a). A Figura 3(b) por outro lado, representa a configura¸c˜ao Peer-to-Peer onde cada CE atua em seu pr´oprio controle de tens˜ao e frequˆencia. Nesta configura¸c˜ao, a melhor forma de controle ´e a relizada pelo droop control.
(a) Controle Master-Slave (b) Controle Peer-to-Peer
Figura 3: Formas de controle em modo ilhado.[3]
As curvas representadas na Figura 4 mostram as a¸c˜oes dos controles PQ, V/f e droop control em situa¸c˜oes de oscila¸c˜ao da microrrede. Ao que foi comentado at´e o momento sobre os controles dos CEs em microrredes refere-se
(a) Curva Controle PQ (b) Curva Controle V/f
(c) Curva Drop Control
Figura 4: Curva de a¸c˜ao dos Controles.[3]
`a malha externa, da qual serve de referˆencia para a malha interna do controlador. O principal objetivo da malha interna ´e a regula¸c˜ao da corrente injetada na microrrede. O motivo de obter um controle de corrente se centra no fato de haver a necessidade de limitar a corrente que passa pelos elementos dos CEs, evitando assim que ocorra defeito nos conversores. Justifica-se com isso, o fato dos CEs apresentarem baixo valor de corrente de curto-circuito em rela¸c˜ao aos sistemas el´etricos convencionais, inviabilizando o uso de sistemas de prote¸c˜ao convencional das redes de distribui¸c˜ao.
1.1.5 Prote¸c˜ao Adaptativa em Microrredes
A radialidade presente em redes de distribui¸c˜ao convencionais, permite uma simples e determin´ıstica configura¸c˜ao de sua prote¸c˜ao. Nestas redes, s˜ao utilizados em demasia rel´es de sobrecorrente por serem simples de se configurar e por apresentarem baixos custos econˆomicos. Quando h´a inser¸c˜ao de unidades de GD na rede de distribui¸c˜ao, o sistema passa a possuir caracter´ısticas distintas de acordo com o tipo de GD, ponto de sua conex˜ao na rede e modo de opera¸c˜ao. Tais caracter´ısticas podem ser alteradas a qualquer instante devido `a intermitˆencia das fontes renov´aveis Distribu´ıdas (E´olica e Solar) e das varia¸c˜oes peri´odicas de carga, fazendo com que a dire¸c˜ao e magnitude das correntes de curto-circuito varie constantemente. Ainda mais, a topologia da rede pode ser alterada para cumprir crit´erios econˆomicos no balan¸co carga/gera¸c˜ao, minimiza¸c˜ao de perdas entre outros objetivos operacionais. Por estes motivos, redes de distribui¸c˜ao na presen¸ca de GD tem a necessidade de possuir um sistema de prote¸c˜ao com caracter´ısticas adaptativas [10]. Prote¸c˜ao adaptativa ´e definida como uma atividade online que modifica a resposta do sistema de prote¸c˜ao de acordo com as mudan¸cas das condi¸c˜oes do sistema por meio de sinais externos ou a¸c˜oes de controle [11]. Sua implementa¸c˜ao ´e alcan¸cada com a utiliza¸c˜ao de rel´es digitais, cujo os quais tem a flexibilidade de reprograma¸c˜ao local ou remotamente por vias de sistema de comunica¸c˜ao. Dependendo da distribui¸c˜ao das fun¸c˜oes, o sistema de prote¸c˜ao
positivos inteligentes possuidores de autonomia para tomar decis˜oes ao pressentir falhas na rede. Entretanto, esta ´e uma arquitetura menos convencional devido `a complexidade dos dispositivos inteligentes e do alto custo para sua implementa¸c˜ao. E necess´´ ario ainda para esta arquitetura, estabelecer protocolos de comunica¸c˜ao que permitam comunica¸c˜ao direcio- nal com os dispositivos. Em termos de protocolo padr˜ao, h´a recomenda¸c˜oes para o protocolo IEC 61850. A implanta¸c˜ao desta arquitetura precisa ainda ser estabelecida por meio de co- munica¸c˜ao de barramento ou por via de rede Ethernet, embora h´a possibilidades de utilizar redes 4G wireless ou CLP. O protocolo padr˜ao IEC 61850 ´e o mais aceito na literatura para prote¸c˜ao adaptativa, utilizando rede Ethernet comumente encontrada em tecnologias de automa¸c˜ao em redes de m´edia tens˜ao. Destaca-se entre os servi¸cos deste protocolo, o GOOSE (Generic Object Orien- ted Substation Event). Este servi¸co faz a comunica¸c˜ao direta entre os dispositivos de prote¸c˜ao da microrrede poss´ıvel. Embora a implanta¸c˜ao do protocolo IEC 61850 requisitar altos inves- timento, a opera¸c˜ao de uma microrrede n˜ao se mostra fact´ıvel sem um sistema de prote¸c˜ao adaptativa.
2 C´alculo de Curto-Circuito sob a Influˆencia de Conversores
Eletrˆonicos
A obten¸c˜ao da corrente de curto circuito em sistemas el´etricos de potˆencia se faz necess´ario para cumprir e estabelecer crit´erios em estudos de planejamento, opera¸c˜ao e prote¸c˜ao. Aos crit´erios relacionados a prote¸c˜ao se estabelece, por exemplo, as configura¸c˜ao dos rel´es e dis- juntores da rede. Procedimentos para o c´alculo da Corrente de Curto-Circuito (CCC) em redes de distribui¸c˜ao pode ser encontrado na norma internacional IEC 60909, contudo, os procedimentos para an´alise de CCC da norma n˜ao leva em considera¸c˜ao a penetra¸c˜ao de con- versores eletrˆonicos na rede. Assim, considera¸c˜oes a cerca das metodologias de CCC devem ser feitas ao considerar a influˆencia destes conversores [1]. Avalia-se que em circunstˆancias de curto-circuito, a tens˜ao terminal dos conversores di- minui, fazendo com que a continuidade de gera¸c˜ao em cada GD recaia sobre a capacidade da Low Voltage Ride-Through (LVRT). Caso as condi¸c˜oes LVRT estejam dentro dos limites estipulador, as GDs operar˜ao sobre condi¸c˜oes de falta, caso contr´ario as unidades de GD ser˜ao desconectadas da rede. Assim, apenas GDs que se mantenham em opera¸c˜ao durante a falta ´e analisada no c´alculo de curto-circuito [3]. De maneira geral, quando empregado conversores de fonte de corrente (Current Source Converters-CSC), as correntes pr´e e p´os falta s˜ao as mesmas. Em contraponto, no caso de conversores de fonte de tens˜ao (Voltage Source Converters-VSC), h´a varia¸c˜oes na corrente p´os falta que, dependendo da forma de controle, se estabelece em uma escala entre 1.1a 2 vezes a corrente nominal do conversor [12]. A representa¸c˜ao de um VSC trif´asico ´e apresentado na Figura 5.
Figura 5: Representa¸c˜ao do circuito de um SVC
Neste tipo de conversor, a tens˜ao E˙ ´e mantida constante antes e ap´os a falta e sua tens˜ao terminal, V, para cada fase, pode ser obtida de acordo com a Equa¸c˜ao 2.1, caso seja conhecido as potˆencias ativa e reativa [3], onde X e R representam a reatˆancia e a resistˆencia do filtro do conversor, respectivamente.
E˙ = V˙ + ∆V + jδV (2.1)
∆V =
P R + QX
V
δV =
P X + QR
V
Vale destacar que devido a baixa in´ercia dos conversores eletrˆonicos em conjunto com a habilidade de controle PQ constantes, o fluxo de potˆencia em regime ´e rapidamente alcan¸cado
sistema mediante falta. Na maioria dos casos, o controle dos conversores s˜ao programados para prover correntes de sequˆencia positiva sim´etricas, mesmo em situa¸c˜oes de curto-circuito assim´etrico, fazendo com que a gera¸c˜ao seja uma fonte de corrente controlada [4]. Em [4] ´e proposto um modelo como os apresentados na Figura 6(b), com correntes limitadas em am- plitude e ˆangulo de fase igual aos da corrente pr´e falta, utilizando a t´ecnica backward/forward para an´alise de um sistema de grande porte. Vale observar que dependendo do fabricante do conversor, os valores de corrente de curto circuito e as configura¸c˜oes de ˆangulo na presen¸ca de faltas s˜ao fornecidas e inclu´ıdas na modelagem. Outra abordagens de an´alise da CCC ´e encontrada em [13], onde ´e representado os con- versores por um equivalente de Norton com sua impedˆancia em paralelo considerada infinita. A Figura 7 representa esta modelagem, onde ´e considerado apenas a sequˆencia positiva para a an´alise e sua configura¸c˜ao segue as conex˜oes dos transformadores quanto ao seu aterramento. Observa-se que devido a configura¸c˜ao delta do transformador no lado do conversor, a an´alise das componentes de sequˆencia zero s˜ao descartadas.
(a) Modelo para estudos de c´alculo de curto-circuito.
(b) Rede (a) no dominio da Sequencia.[13]
Figura 7: Representa¸c˜ao na Sequˆencia de sistema com conversores eletrˆonicos.[3]
Seguindo o racioc´ınio de uma representa¸c˜ao atrav´es de uma fonte de corrente de sequˆencia positiva, [14] modela a barra pertencente `a GD com conversor como uma barra Iθ e atrav´es desta modelagem resolve o fluxo de potencia por Newton no intuito de encontrar a corrente de falta da rede. Na modelagem ´e considerado I = Im´ax, θ = 0o^ e a matriz impedˆancia ´e modificada de acordo com o ponto da falta. No algoritmo da solu¸c˜ao, ´e considerado a influˆencia das condi¸c˜oes de LVRT. Para resolver o c´alculo atrav´es dos m´etodos convencionais de solu¸c˜ao, a barra Iθ passa
por um processo de convers˜ao assumindo que a potˆencia se mant´em contante mesmo ap´os a falta. Assim, a modelagem matem´atica do problema se estabelece como a Equa¸c˜ao 2.4 [14].
UiIicosθi − PLi = Ui
ji
Uj (Gij cosδ)ij + Bij sinδij) (2.4a)
UiIisinθi − QLi = Ui
ji
Uj (Gij sinδ)ij + Bij cosδij) (2.4b)
sendo que,
IDGi =
SDGi VDGi
onde i pertence `a barra Iθ, V ´e a tens˜ao, δij ´e a diferen¸ca de fase entre as barras i e j e G e B s˜ao as partes reais e imagin´arias da matriz admitˆancia, respectivamente. Tendo m barras do tipo PQ em um total de n barras na rede, ent˜ao haver´a n − m − 1 barras Iθ. A partir da Equa¸c˜ao 2.4 ´e estabelecido o balan¸co de potˆencia para as barras Iθ e PQ, do qual ´e resolvido atrav´es do m´etodo iterativo de Newton de modo a formar um sistema com 2(n − 1) equa¸c˜oes e 2(n − 1) inc´ognitas.
2.2 M´etodos Baseados na estrat´egia de controle DQ
A estrat´egia de controle baseada na t´ecnica DQ ´e comumente utilizada em CE empregados nas microrredes. Em [15] ´e apresentado uma forma de calcular a CCC baseado na t´ecnica de controle DQ, analisando assim, a corrente de falta derivada do conversor. Para tal feito, simplifica¸c˜oes s˜ao definidas a ponto de facilitar a modelagem matem´atica, como por exemplo a desconsidera¸c˜ao da n˜ao-linearidade das chaves de comuta¸c˜ao dos conversores, considerando-as como ideais. Tamb´em ´e considerado na modelagem matem´atica que a frequˆencia do sistema corresponde `a frequˆencia central do controle PLL, sendo esta n˜ao alterada significativamente durante a falta com um afundamento devido a falta de -90o. Considera-se tamb´em que a a¸c˜ao do controlador PI tem sua raz˜ao proporcional dominante durante a falta, fazendo o controle PI modelado pela sua constante proporcional K. A Figura 8 ilustra o motivo destas simplifica¸c˜oes.
(a) An´alise do controle PLL. (b) An´alise do controlador PI
Figura 8: Representa¸c˜ao da a¸c˜ao dos controles do conversor mediante falta. [15]
estabelece igual a corrente pr´e falta como ´e abordado na literatura. Por outro lado, se KP ´e suficientemente pequeno, fazendo Ri << wLi e Ri << E 0 − Vt, obter-se-`a da Equa¸c˜ao 2. uma equa¸c˜ao que representa uma fonte convencional de gera¸c˜ao de energia. Encontra-se tamb´em uma abordagem de c´alculo da CCC baseada no controle DQ em [16], onde ´e utilizada uma t´ecnica de m´ultiplos tempo de escalas, levando em considera¸c˜ao a estrat´egia de controle e o transiente durante a falta. Neste m´etodo, a dinˆamica da falta ´e relacionada com a regula¸c˜ao dos controles de corrente AC e de tens˜ao DC. Como a banda de passagem dos controles AC e DC se encontram entre 100Hz e 10Hz, a dinˆamica do eixo-d em tempo de escala eletromagn´etica ´e estendida para o controle AC em tempo de escala menor que 50ms, e o controle DC entre 50ms e 0.5s. A abordagem de [16] pode ser visto na Figura
Figura 11: Diagrama para t´ecnica de tempo de escalas proposto em [16]
Assim, baseado na classifica¸c˜ao de m´ultiplas escala de tempo e com simplifica¸c˜oes rele- vantes, a an´alise da CCC de um conversor eletrˆonico com controles em cascata ´e realizada com a divis˜ao de dois sistemas independentes, escala de tempo do controle de corrente AC e escala de tempo de tens˜ao DC, e por fim a express˜ao final da CCC ´e obtida,
2.3 Outros An´alises de Curto-Circuito na Literatura
Em [5] e [17] s˜ao apresentadas formas de modelar redes de distribui¸c˜ao com microrredes atrav´es de componentes de sequˆencia positiva e negativa, e ent˜ao, devido a n˜ao-linearidade dos conversores, m´etodos iterativos ´e utilizado para o c´alculo da corrente de falta da rede. Ainda em uma modelagem por componentes sim´etricas positivas, uma forma de se obter a CCC atrav´es de uma an´alise do controle formado pelo m´etodo Master-Slave ´e encontrada em [18]. Na tentativa de adaptar o padr˜ao IEC-60909 as redes com conversores eletrˆonicos, [1] apresenta modifica¸c˜oes da norma, separando o c´alculo da CCC por regi˜oes da rede, ou seja, por contribui¸c˜oes do c´alculoa montante do ponto da falta e por contribui¸c˜ao da GD de acordo com seu Tipo. De modo geral, ´e corriqueiro na literatura encontrar o c´alculo da CCC por um somat´orio de todas as contribui¸c˜oes das GDs, sendo esta contribui¸c˜ao o produto entre a corrente nominal da conversor pelo seu fator de corrente m´axima (entre 1.2 `a 2). Abordagens como esta ´e encontrada em [19], [20] e [21].
2.4 Comportamento de gera¸c˜ao Tipo 3 e Tipo 4 na presen¸ca de Faltas
Praticamente todas as microrredes de grande porte utilizam tecnologias de gera¸c˜ao e´olica atrav´es de geradores de dupla alimenta¸c˜ao (DFIG) ou geradores com acoplamento a rede realizado completamente por conversores eletrˆonicos, ou seja, gera¸c˜oes e´olica do Tipo 3 e do Tipo 4 [22] [23]. Com estes sistemas de gera¸c˜ao, faz se poss´ıvel o aproveitamento de ventos com velocidades vari´aveis para gerar energia el´etrica. Gera¸c˜oes fotovoltaicas, para efeito de estudos de curto-circuitos, ´e inclu´ıda nas an´alises do Tipo 4 devidoas similaridades existentes entre estes sistemas de gera¸c˜ao. Esta inclus˜ao ´e justific´avel pelos conversores referenciados ao lado da rede (CC-CA) apresentarem topologias semelhantes de controle [24]. O sistema de excita¸c˜ao do Geradores DFIG ´e realizado no rotor por corrente alternada (CA) atrav´es de conversores eletrˆonicos capazes de variar a frequˆencia e magnitude do campo do rotor. A corrente de entrada dos conversores provem da pr´opria rede (sa´ıda do sistema de gera¸c˜ao) e gera corrente de magnitude e frequˆencia vari´avel dependendo do estado da rede el´etrica. Com o aumento da rota¸c˜ao do campo magn´etico do rotor, sendo no sentido positivo ao sentido de giro do rotor, surge um aumento na velocidade do gerador dado pela soma das velocidades mecˆanicas e do campo do rotor. Caso a rota¸c˜ao mecˆanica do rotor acelere al´em da frequˆencia da rede, os conversores reduzem a rota¸c˜ao do campo magn´etico do rotor fazendo com que a velocidade mecˆanica diminua. Verifica-se assim que o comportamento da gera¸c˜ao Tipo 3 ´e governada pela a¸c˜ao dos conversores eletrˆonicos e seus controles [23]. A contempla¸c˜ao de um sistema de gera¸c˜ao e´olica do Tipo 4, do qual satisfa¸ca al´em dos c´odigos de rede a demanda de mercado, ´e realiz´avel atrav´es de geradores s´ıncronos de im˜as permanente (Permanent Magnet Synchronous Generator - PMSG) [25]. A contribui¸c˜ao da corrente de falta deste tipo de gera¸c˜ao ´e limitada pelo controle dos conversores empregados na interconex˜ao com a rede. O sistema de conversores para a gera¸c˜ao e´olica do Tipo 4 ´e formado pela configura¸c˜ao back-to-back com um capacitor entre os conversores. Este capacitor balanceia a diferen¸ca entre potˆencia gerada pelo conversor do lado da gera¸c˜ao e o conversor do lado da rede. Durante uma falta, surge um desbalan¸co de potˆencia entre os conversores, fazendo com que a tens˜ao CC do capacitor aumente [25]. Para evitar aumentos de tens˜ao indesej´aveis, o conversor limita a corrente para proteger suas chaves de comuta¸c˜ao IGBTs. O comportamento de gera¸c˜ao com sistemas do Tipo 3 ou 4 na presen¸ca de falta ´e definido primariamente pelas caracter´ısticas de controle empregado nos conversores [22]. De tal fato, n˜ao ´e poss´ıvel modelar a an´alise de faltas pela representa¸c˜ao de uma fonte conectada a uma reatˆancia. Desta forma, um modelo gen´erico para an´alise de curto circuito n˜ao se mostra fact´ıvel para estudos de prote¸c˜ao de microrredes [23]. A contribui¸c˜ao de corrente de falta para gera¸c˜ao do Tipo 4 depende dos limites impostos pelo fabricante, podendo variar entre 1 a 2 pu de magnitude e oscilar at´e 3 pu do primeiro ao segundo ciclo p´os falta [26]. J´a a gera¸c˜ao do Tipo 3 tem seu comportamento identico ao Tipo 4a menos que a corrente de falta seja muito severa. Nesta situa¸c˜ao, a prote¸c˜ao do DFIG aciona o dispositivo de crowbar podendo levar a corrente `a patamares at´e 5 pu.
2.4.1 An´alise de Faltas Trif´asicas
Em rela¸c˜ao a gera¸c˜ao do Tipo 3, se uma falta trif´asica ocorre em sua proximidade quando o rotor apresenta velocidade acima da frequˆencia da rede, a tens˜ao terminal do gerador cai e o rotor deixa de transmitir potˆenciaa rede. Assim, a potˆencia ´e transferida ao capacitor
3 Prote¸c˜ao de Microrredes: Revis˜ao Bibliogr´afica
Apesar das vantagens obtidas com o desenvolvimento de microrredes, principalmente em termos relacionados aos benef´ıcios ambientais provindos da inser¸c˜ao de fontes renov´aveis de gera¸c˜ao de energia el´etrica e da ininterrup¸c˜ao da disponibilidade de energia, existem ainda preocupa¸c˜oes e desafios quanto ao controle e a prote¸c˜ao destas microrredes. Em sua maioria, estes desafios e preocupa¸c˜oes est˜ao relacionadosa conex˜ao das fontes renov´aveis a rede por meio de Conversores Eletrˆonicos (CE). Estes tem a caracter´ıstica de limitar a corrente em valores pr´oximos ao do nominal. Assim, em situa¸c˜oes de curto-circuito, a corrente de falta provinda dos conversores n˜ao exceder´a em demasia a corrente nominal, inviabilizando o uso do sistema de prote¸c˜ao comumente usado em sistemas de distribui¸c˜ao radial. Outro desafio presente na implanta¸c˜ao da prote¸c˜ao em microrredes, se diz respeito ao modo de opera¸c˜ao em que a microrrede se encontra. Em modo conectadoa rede el´etrica, a Corrente de Curto-Circuito (CCC) sofre influˆencia dos grandes geradores do sistema el´etrico, sendo assim, o valor da corrente de falta chega a ser maior que 5 vezes a nominal, possibilitando o emprego da prote¸c˜ao convencional em primeira an´alise. Por´em, este valor tamb´em sofre influˆencia das Gera¸c˜oes Distribu´ıdas (GDs) dispon´ıveis, e devido a intermitˆencia das fontes renov´aveis, esta disponibilidade tem varia¸c˜oes que faz modificar o limiar de atua¸c˜ao do sistema de prote¸c˜ao convencional. Por outro lado, em modo ilhado, uma microrrede formado apenas por CE tem sua corrente de falta limitada em valores pr´oximos aos nominais de opera¸c˜ao, fazendo com que o emprego da prote¸c˜ao tradicional em redes de distribui¸c˜ao seja inapropriado. Destaca-se ainda que a inser¸c˜ao de GD na rede de distribui¸c˜ao elimina a radialidade do sistema, de modo que a dire¸c˜ao do fluxo de potˆencia, e assim o da corrente, seja indeterminado por valores pr´e-fixados nos dispositivos de prote¸c˜ao. Ainda mais, a varia¸c˜ao da gera¸c˜ao por parte das GDs faz com que a dire¸c˜ao das correntes varie dependendo das potˆencias geradas. Consequentemente, o problema de coordena¸c˜ao da prote¸c˜ao se torna significante para a garantia da prote¸c˜ao de retaguarda da rede. Este Cap´ıtulo tem por objetivo apresentar uma revis˜ao bibliogr´afica das principais meto- dologias encontradas na literatura para a solu¸c˜ao dos problemas em prote¸c˜ao de microrredes listados acima. Para tal prop´osito, as se¸c˜oes que se seguem s˜ao organizadas de acordo com o emprego dos rel´es de prote¸c˜ao convencionais e com as t´ecnicas encontradas na literatura. Uma revis˜ao das principais normas vigentes quantoa prote¸c˜ao de microrredes e projetos pilotos atualmente existentes tamb´em s˜ao apresentados neste cap´ıtulo.
3.1 Prote¸c˜ao Adaptativa
Observa-se do exposto no incio deste cap´ıtulo que a prote¸c˜ao convencional utilizada em redes de distribui¸c˜ao n˜ao se adequ´a aos crit´erios exigidos em uma microrrede, isso devido `as varia¸c˜oes e intermitˆencias dos valores necess´arios para a configura¸c˜ao da prote¸c˜ao da rede. Faz-se necess´ario assim, o uso de uma prote¸c˜ao adaptativa capaz de seguir dinamicamente as mudan¸cas da microrrede [11]. A prote¸c˜ao adaptativa para um sistema de distribui¸c˜ao composto por GD se centra basicamente em reconfigurar os dispositivos direcionais de sobre- correntes de acordo com o estado da rede, garantindo assim que n˜ao ocorra indesej´aveis ou descoordenadas opera¸c˜oes por parte dos rel´es. A viabiliza¸c˜ao t´ecnica deste tipo de prote¸c˜ao exige a utiliza¸c˜ao de rel´es digitais, dos quais tem a capacidade de comunica¸c˜ao entre si e com
a central de gerenciamento da rede e apresentam ainda a flexibilidade de reconfigurar suas caracter´ısticas de maneira on-line. Uma abordagem recente da literatura sobre prote¸c˜ao adaptativa pode ser encontrada em [27]. Neste trabalho a prote¸c˜ao adaptativa ´e utilizada para garantir a seguran¸ca de uma microrrede realizando um processo de 3 etapas. Nas primeiras 2 etapas, uma offline e outra online, s˜ao realizados estudos da dinˆamica da microrrede, obtendo os estados de equil´ıbrio da rede e calculando as zonas de prote¸c˜ao, onde ´e criado uma regi˜ao de atra¸c˜ao. No terceiro est´agio ´e realizado a prote¸c˜ao em tempo real da microrrede a partir dos dados obtidos nos est´agios 1 e 2, monitorando as vari´aveis de estado e mapeando-os na regi˜ao de atra¸c˜ao calculado no est´agio 2. Uma vez que a trajet´oria mapeada viole as restri¸c˜oes impostas pela zona de prote¸c˜ao, ´e acionado trip nos dispositivos relacionados e a prote¸c˜ao ´e efetuada. Este processo mant´em atualizando as vari´aveis em intervalos de tempo, reprogramando a prote¸c˜ao de acordo com mudan¸cas do ponto de opera¸c˜ao da microrrede. Esquemas de prote¸c˜ao adaptativa utilizando dispositivos de sobrecorrente s˜ao os mais comuns na literatura. Exemplo de aplica¸c˜ao pode ser encontrado em [28], onde 3 camadas de processamento s˜ao realizadas e sinais de reconfigura¸c˜oes s˜ao enviados aos dispositivos de prote¸c˜ao. Neste trabalho, a camada mais baixa, chamada de camada de execu¸c˜ao composta por rel´es de sobrecorrente, faz a leitura da corrente e em alguns casos recebe valores de tens˜ao e aciona trip quando ´e detectado falta. Esta camada ´e autˆonoma e capaz de tomar decis˜oes localmente, garantindo que em caso de falha na comunica¸c˜ao da prote¸c˜ao, o rel´e n˜ao seja afetado. Esta camada se comunica com a camada de segundo n´ıvel, chamada de camada de coordena¸c˜ao, onde ´e monitorado e coordenado os dispositivos de prote¸c˜ao. A interface entre a primeira e segunda camada consiste em barramento de comunica¸c˜ao seguindo o protocolo IEC 61850. No topo das camadas se encontra a camada de gerenciamento, da qual gerencia e se comunica com a camada de coordena¸c˜ao estabelecendo uma prote¸c˜ao adaptativa aos dispositivos de prote¸c˜ao de sobrecorrente da microrrede. Sistema de prote¸c˜ao adaptativo de maneira autˆonoma pode ser encontra em [29], onde rel´es digitais s˜ao utilizados para armazenar um conjunto de configura¸c˜oes referente a v´arios estados da rede de maneira offline. Conforme a microrrede sofre modifica¸c˜oes em sua opera¸c˜ao, um sistema de comunica¸c˜ao transmite o novo estado da rede para os rel´es, busca-se assim, em sua base de dados, a configura¸c˜ao mais adequada para o estado atual da rede. Uma maneira mais robusta de se empregar prote¸c˜ao adaptativa em microrredes ´e utili- zando t´ecnicas de Inteligencia Artificial. Encontra-se em [30] uma vis˜ao baseada em redes neurais artificiais, utilizando-se de elementos direcionais de sobrecorrente adaptativos junto `a estima¸c˜ao de estados para configurar os rel´es da microrrede. De maneira geral, a prote¸c˜ao adaptativa ´e inevit´avel quanto se tratado de microrredes, independentemente do tipo de dispositivos e m´etodos que se deseja empregar. A adapta¸c˜ao das t´ecnicas de prote¸c˜ao se mostrar´a presente em todo o decorrer deste cap´ıtulo, de modo que a dinamicidade da rede possa ser acompanhada pelos dispositivos de maneira online ou com tabelas pr´e especificada de casos da microrrede.
3.1.1 Comunica¸c˜ao voltada `a Prote¸c˜ao Adaptativa
Como apresentado, uma prote¸c˜ao adaptativa pode possuir comunica¸c˜ao a partir de um gerenciamento centralizado ou descentralizado. Quando centralizado, a arquitetura de co-
