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MIEECSupervisão e Controlo de Sistemas Eléctricos
2006/2007
Microgeração e Microredes
J. A. Peças Lopes
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Introdução• Caracterização da Situação
– Aumento da procura de electricidade– Preocupações com a segurança de abastecimento – Preocupações ambientais (Variações climáticas,
preservação da natureza, poluição)– Aumento da sustentabilidade– Dificuldades crescentes na construção de infraestruturas de
transporte e distribuição
– Diversificação das fontes de energia– Aumento da exploração das energias renováveis– Aumento da eficiência no uso da electricidade
ProduçãoDistribuída
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2006/2007
A Vision of the future
Source: “Smart Grids – Vision and Strategy for Europe’s Electricity Networks of the Future”
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O conceito de Produção Distribuída• A Produção Distribuída é um factor chave para o aumento
da componente renovável no sistema eléctrico.
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Introdução
• Microgeração
• Microredes (BT)– Operadas quer em rede interligada quer em rede isolada– Microgeradores:
• PV• FuelCells• Microturbinas• Microaerogeradores• MicroCHP
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Microturbinas• Microturbine of 80 kW
In general the microturbine is
connected to the grid through an
electronic converter.
1,5 kHz to 4kHz
(single shaft)
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Solar Fotovoltaico (PV)
I
ISC
Imax
M N
O
A
P
SVVmax VOC
1/Ropt
1/R
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Micro turbinas eólicas• Vertical axis micro-wind turbines
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Fuel-Cells• Diferentes Tipos (PEM, SOFC, Alkaline, PAC…)
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Armazenamento de energia - flywheels
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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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2006/2007
O conceito de Microrede• Um sistema de BT com pequenas unidade de geração, de
característica modular, produzindo electricidade e calor a cargas locais
• Uma infraestrutura de comunicação• Uma estrutura de controlo
Modos de operação:
• Rede interligada
• Modo de EmergenciaMV
LV
MGCCMC
LC
Fuel CellMC
PV
MC
MC
LCLC
LC
MC
LC
ACDC
ACDC
ACDC
ACDC
Microturbine
Wind Generator
MC StorageACDC
Microturbine
PV
ACDC
MC
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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
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MicroRedes (Microgrids)• Conceito e arquitectura de micro-rede
MV LVDMSDMS
M GCCM GCC
D CAC
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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MicroRedes (Microgrids)
• Arquitectura de controlo de MicroRedes
Comunicação através de:• PLC• wireless
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MicroRedes (Microgrids)
• Fluxo de informação na Microrede
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MicroRedes (Microgrids)
• 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.
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MicroRedes (Microgrids)
• Monitorização das condições de operação da Microrede• Definição da estratégia de alimentação da Microrede
MGCC
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MicroRedes (Microgrids)
• 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
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MicroRedes (Microgrids)
• 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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MicroRedes (Microgrids)• Exemplo: Modelo de uma Microturbina
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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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MicroRedes (Microgrids)
• Controlo potência / frequência
Proportional component
Componente de controlo integral
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MicroRedes (Microgrids)
+-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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MicroRedes (Microgrids)
• Controlo de tensão proporcional, mudando a potência reactivaproduzida
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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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MicroRedes (Microgrids)• Operação em Single Master:
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MicroRedes (Microgrids)• Operação Multi Master:
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2006/2007
MicroRedes (Microgrids)• A potência de saída de um dispositivo de
armazenamento de energia deve ser proporc. a Δf.
Corrige desvios de frequênciapermanentesdurantefuncionamento emrede isolada
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2006/2007
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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2006/2007
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”
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2006/2007
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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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
50.2Fr
eque
ncy
(Hz)
0 20 40 60 80 100 120 140 160-20
-10
0
10
20
30
Time (s)
VSI A
ctiv
e Po
wer
(kw
)
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Microredes – Testes de Operação – Rede Urbana
• 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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Microredes – Testes de Operação – Rede Urbana
• 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
400Vo
ltage
(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)
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2006/2007
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
50.2Fr
eque
ncy
(Hz)
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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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
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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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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
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MicroGrid Black Start
SOFC synchronization
SSMT synchronizationDT energization
SOFCSSMTSTORAGE
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MicroGrid Black Start
SOFC synchronization
SSMT synchronization
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MicroGrid Black Start
• Sincronização com a rede MT
Changing the control mode
Synchronization withthe MV network