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Mestrado em Engenharia Electrotécnica e ComputadoresPerfil Energias Renováveis – NTESH

2005/2006

Novas Tecnologias Energéticas e Sistemas Híbridos

Gestão de Sistemas Híbridos:» Sistemas Avançados de Controlo » MicroRedes

J. A. Peças Lopes


2005/2006

Introdução

• Soluções conceptuais:– Redes isoladas:

• Ilhas eléctricas• Geração convencional e geração renovável.

– Microredes (BT)• Operadas quer em rede interligada quer em rede isolada• Microgeradores:

– PV– FuelCells– Microturbinas– Microaerogeradores– MicroCHP

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2005/2006

Introdução

• Os sistemas híbridos isolados requerem para o funcionamento soluções de gestão e controlo, envolvendo:– Previsão de cargas;– Previsão da produção renovável (intermitente);– Escala de serviço dos grupos produtores, considerando

restrições de operacionalidade e segurança;– Despacho económico com restrições de operacionalidade e

segurança;– Gestão de reservas;– Monitorização da segurança dinâmica;

– Definição de estratégias de deslastre de cargas;– Requisitos para protecções especiais.


2005/2006

Sistemas de Gestão de Redes Isoladas

• O Sistema CARE / MORECARE

OPERATOR

SCADA system

DATA-BASE

SCHEDULER

SECURITYASSESSMENT

RENEWABLESFORECASTING

MAN-MACHINEINTERFACE

SECURITYMONITORING

ECONOMICDISPATCH

UNIT COMMITMENT

LOAD FORECASTING

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2005/2006


• Arquitectura de hardware de gestão e controlo


2005/2006


• Previsão de Cargas e Previsão de Produção Renovável

Previsões até 48 h, dependendo da complexidade do sistema

JanelaDeslizante

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2005/2006


• Escala de serviço e despacho


2005/2006


• Exemplo de um sistema isolado

Perturbação 1:

Curto-circuito, do lado W da ilha + saída de serviço de geração (Pc2 .. Pc4, Pw1 .. Pw4)

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2005/2006


• O comportamento dinâmico– O controlo de frequência é normalmente assegurado por

geradores síncronos;– Elevadas penetrações de produções de electricidade sem

capacidade de participação no controlo de frequência exigem:

• Monitorização da segurança;• Limitação da integração de produção sem capacidade de

participar no controlo de frequência (Ex: eólica, PV, etc)


2005/2006


• Comportamento expectável da frequência após perturbação

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2005/2006


• Avaliação da segurança dinâmica

Desvio máxde frequência


2005/2006


• A avaliação da segurança dinâmica necessita de ser efectuada de forma rápida:– Técnicas de aprendizagem automática:

• Redes neuronais;• Árvores de decisão;• Árvores de Regressão

– Etapas:» Geração de dados» Tratamento de dados» Projecto da estrutura de avaliação de segurança

– Substituição da resolução numérica do modelo de estado do sistema.

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2005/2006


• Etapa de geração de conhecimento funcional


2005/2006


ANNfΔ

PwjNwj

SRiPciLoad

M M

Preventive control measuresPower redispatch of“non-wind” generators

On/off control ofwind generators Nwi

Pci

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2005/2006


• Filosofia de gestão global do MORECARE


2005/2006

MicroRedes (Microgrids)

• Um novo conceito

MV LVDMSDMS

MGCCMGCC

DCAC

PV

MC

LC

MCAC

DC

LC

Storage

LC

~ CHPMC

Micro Turbine

MC

Fuel CellMCAC

DC

LCACDC

~

FlywheelMCAC

DC

O interface das micro-fontes coma rede é feito através de inversores.Não há inércias!!

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2005/2006

Benefícios da económicos da Microgeração

LV Distribution

MV Distribution

HV Distribution

Transmission

Central Generation

ProduçãoDistribuída

~ 2 - 5 c€/kWh

~ 3 - 9 c€/kWh

~10 - 15 c€/kWh

~3 – 6 c€/kWh

Numa perspectiva de « preço »

Microgeração


2005/2006

MicroRedes (Microgrids)• Conceito e arquitectura de micro-rede

MV LVDMSDMSM GCCM GCC

D CA C

PV

M C

LC

M CA C

D C

LC

Storage

LC

~ CHPM C

Micro Turbine

M C

Fuel CellM CA C

D C

LCA CD C

~

FlywheelM CA C

D C

• Gestão e controlo;

• Protecções;

• Comunicações.

• 20% de penetração de µG -> redução de perdas de pelo menos 220 GWh.

• Emissões de CO2 anualmente evitadasde cerca de 80 kT.

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2005/2006


• Arquitectura de controlo de MicroRedes

Comunicação através de:• PLC• wireless


2005/2006


• Fluxo de informação na Microrede

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2005/2006


• Funções de controlo na Microrede– MGCC:

• Optimiza a operação da Microrede considerando: – Ofertas das micro-fontes e cargas– Preços de mercado– Restrições de segurança da rede– Previsões de consumo e produção local

• Utilizando as rotinas de optimização, o MGCC envia aosLCs:

– Set-points para a produção– Set-points para cargas e deslastre de cargas

– LCs• Controlam localmente a produção e modos de operação,

nível de armazenamento, gestão das cargas e enviam ofertas ao MGCC.


2005/2006


• Monitorização das condições de operação da Microrede• Definição da estratégia de alimentação da Microrede

MGCC

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2005/2006


• Funcionamento em rede isolada (situação de emergência):– Intencional ou forçada (por acções de manutenção na MT)

• Seguimento da carga (Load following)– Reposição de serviço (Black start)

• Reduzir tempos de interrupção, conferir autonomia àmicrorede.

• Problemas:– A microrede não tem, em geral, máquinas síncronas

– Dificuldade do controlo de frequência


2005/2006


• Estudos de avaliação da possibilidade de funcionamento em rede isolada exigem:– Definir estratégias de operação para controlo de frequência– Modelizar inversores e seus sistemas de controlo– Modelizar os microgeradores– Modelizar os dispositivos de armazenamento de energia

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2005/2006

MicroRedes (Microgrids)• Exemplo: Modelo de uma Microturbina


2005/2006

MicroRedes (Microgrids)• Estratégias de controlo das microfontes (inversor):

– Controlo PQ • O inversor e a fonte são controlados de forma a assegurar

a entrega de um valor de P e Q (definido por set pointenviado pelo MGCC). Não existe resposta autónoma a variações de frequência, mas pode responder a um controlo secundário.

– Voltage Source Inverter (VSI) control – Controlo proporcional (estatismo) sobre tensão e frequência

• Exige um dispositivo de armazenamento no link DC.

• O VSI responde ao controlo primário e secundário de frequência

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2005/2006


• Controlo potência / frequência

Proportional component

Componente de controlo integral


2005/2006


+-50 Hz

Inverter Frequency

Ki/sf0

f0

f0’

f0’’

P P’

Ajustar a potência de saídamudando a idle frequency f0, f0’,…

50 Hz

Controlo secundário,ou integral

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2005/2006


• Controlo de tensão proporcional, mudando a potência reactivaproduzida


2005/2006

MicroRedes (Microgrids)• Modos de controlo para operação em rede isolada

– É necessário um dispositivo com capacidade para equilibrar carga / geração nos momentos subsequentes a transitórios de forma a manter a tensão e frequência na rede.

– Combinando os modos de controlo dos inversores, são possíveis duas estratégias:

• Operação em Single Master• Operação em Multi Master

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2005/2006

MicroRedes (Microgrids)• Operação em Single Master:


2005/2006

MicroRedes (Microgrids)• Operação Multi Master:

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2005/2006

MicroRedes (Microgrids)• A potência de saída de um dispositivo de

armazenamento de energia deve ser proporc. a Δf.

Corrige desvios de frequênciapermanentesdurantefuncionamento emrede isolada


2005/2006

MicroRedes (Microgrids)• Sobre-intensidades nos Inversores:

– Sobrecargas transitórias• Ligação de grande volume de cargas.• Desiquilibrio elevado entre carga e geração na sequência

da passagem a rede isolada. – Curto-circuitos

– Os dispositivos de electrónica de potência dos inversores têm uma reduzida capacidade de sobrecarga, requerendo uma selecção criteriosa.

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2005/2006

Microredes – Testes de Operação

• Urban LV Test System20 kV

0.4 kV

20/0.4 kV, 50 Hz, 400 kVAuk=4%, rk=1%, Dyn11

3+N

Other lines

…

Split shaft microturbine

Appartment building

Single residential consumer

Photovoltaics

Fuel CellAppartment

building

Single commercial comsumer

Single shaft microturbine

Storage

Single residential consumer

Perturbação:

Rede na rede de MT seguida do isolamento da microrede e “load following”


2005/2006

Microredes – Testes de Operação

• Rural LV Test System

Perturbação:Rede na rede de MT seguida do isolamento da microrede e “load following”

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2005/2006

Microredes – Testes de Operação – Rede Urbana

• A MG está a importar 29.7+j2.3 kVA (40% da carga) da rede de MT• Curto-circuito na rede de MT em t = 10 s seguido de isolamento em 100 ms

– Frequência da MG e potência activa do VSI

0 20 40 60 80 100 120 140 16049.2

49.4

49.6

49.8

50

50.2

Freq

uenc

y (H

z)

0 20 40 60 80 100 120 140 160-20

-10

0

10

20

30

Time (s)

VSI A

ctiv

e Po

wer

(kw

)


2005/2006


• Potência activa em duas microfontes seleccionadas paracontrolo potência / frequência

0 20 40 60 80 100 120 140 1600

5

10

15

20

25

30

Time (s)

Act

ive

Pow

er (k

W)

SSMT

SOFC

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2005/2006


• Detalhes da tensão e corrente aos terminais do VSI durante e após defeito

9.9 10 10.1 10.2 10.3 10.4 10.5-400

-200

0

200

400

Volta

ge (V

)

9.9 10 10.1 10.2 10.3 10.4 10.5-600

-400

-200

0

200

400

600

Time (s)

Cur

rent

(A)


2005/2006

Microredes – Testes de Operação – Rede Rural

• A microrede está a importar da rede MT 38.4+j1.7 kVA (55% da carga)• Curto-circuito na rede de MT em t = 10 s seguido de isolamento em 100 ms

– Frequência da MG e potência activa do VSI

0 20 40 60 80 100 12049.5

49.6

49.7

49.8

49.9

50

50.1

50.2

Freq

uenc

y (H

z)

0 20 40 60 80 100 120-10

0

10

20

30

Time (s)

VSI A

ctiv

e Po

wer

(kW

)

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2005/2006

Microredes – Testes de Operação – Rede Rural

• Impacto do deslastre de cargas

0 5 10 15 20 2548.8

49

49.2

49.4

49.6

49.8

50

50.2

Time (s)

Freq

uenc

y (H

z)

with load shedding

without load shedding


2005/2006

MicroGrid Black Start• Microfontes com capacidade de arranque autónomo:

– Arrancar autonomamente com a geração– Alimentar cargas locais e controladores

• A microrede tem capacidade de:– Comunicação bidirecional entre MGCC e LC– Desligação das cargas após o colapso local da

rede– Armazenamento de informação sobre o status de

geração e consumo– Separação da rede BT da rede MT– Assegurar a criação de neutro na rede MT

(transformador MT/BT desligado).

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2005/2006

MicroGrids Black Start• Black Start é uma sequência de eventos estudada

antecipadamente e embebida no software do MGCC• Os problemas / sequência são os seguintes:

– Construir a rede de BT– Ligar os microgeradores– Controlar a tensão– Controlar a frequência– Ligar cargas controláveis– Mudanças nos modos / estratégia de controlo– Sincronização com a rede MT


2005/2006

MicroGrid Black Start

SOFC synchronization

SSMT synchronizationDT energization

SOFCSSMTSTORAGE

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2005/2006


SOFC synchronization

SSMT synchronization


2005/2006


• Sincronização com a rede MT

Changing the control mode

Synchronization withthe MV network

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2005/2006

Conclusões• Os sistemas híbridos exigem a presença de dispositivos

com adequada capacidade de armazenamento de energia e ou deslastre de cargas

• A integração de fontes intermitentes exige a utilização de sistemas de controlo avançados para a gestão económica e técnica do sistema global

• A microgeração e o conceito de Microrede constituem novos desafios e oportunidades para o futuro dos sistemas eléctricos de energia.

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