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An. 6. Enc. Energ. Meio Rural 2006

 

Desenvolvimento de um programa para alocação de fontes renováveis em sistemas isolados de corrente contínua

 

 

Rodrigo Marcon Sanches; Carlos Eduardo Bosisio; Eduardo Diniz de Melo; Dionízio Paschoareli Júnior

Faculdade de Engenharia - campus de Ilha Solteira - UNESP, DEE - Departamento de Engenharia Elétrica, Grupo de Pesquisa em Fontes Alternativas e Aproveitamento de Energia, Av. Brasil, 364 - Caixa Postal 31 - CEP: 15385-000 - Ilha Solteira - SP - Fone: (18) 3743-1150 Fax: (18) 3743-1163 - E-mails: dionizio@dee.feis.unesp.br; cebosisio@aluno.feis.unesp.br; dudmelo@yahoo.com.br

 

 


RESUMO

Este trabalho apresenta um programa computacional para análise de sistemas elétricos isolados alimentados em corrente contínua (cc). O programa permite uma avaliação da distribuição de geradores e o efeito desta distribuição no perfil de tensão e nas perdas ôhmicas do sistema.
O objetivo do programa computacional é obter o melhor arranjo para as conexões das cargas com as fontes geradoras, de modo a minimizar o número de fontes utilizadas bem como as perdas no circuito, a partir da análise de níveis de tensão, fluxo de corrente e de potência.
O programa utiliza interface interativa com o usuário, desenvolvida em linguagem Visual Basic. O algoritmo para cálculo das variáveis elétricas é desenvolvido em linguagem Fortran.

Palavras-chave: Fonte alternativa de energia; energia solar; alocação de fontes geradoras; software


ABSTRACT

This paper presents a software for analysis of isolated electrical systems fed by renewable generators in direct current (dc). The software allows an evaluation of the impact of generator distribution and the effect of distributed sources on voltage profile and ohmic losses. The aim of the program is to obtain the best arrangement for generators location to minimize losses and the amount of generation and, consequently, to reduce global costs. The software is created using Visual Basic and Fortran computational languages.


 

 

1. Introdução

O crescente consumo e os impactos ambientais e sociais causados pelas fontes de energia tradicionais levam a sociedade a considerar alternativas limpas e renováveis para geração da energia elétrica. Outro fator que favorece o uso de fontes alternativas de energia é o suprimento de energia para regiões isoladas do sistema principal de alimentação ("ilhas energéticas") sem que sejam necessários investimentos imediatos na ampliação dos sistemas de transmissão instalados (PLASTOW, 2001).

Uma das formas de energia primárias mais abundantes no território brasileiro é justamente solar, pode ser diretamente utilizada nas formas fotovoltaica e térmica (além das formas indiretas como na formação de ventos, na fotossíntese, etc.). A energia solar fotovoltaica consiste na conversão da radiação solar em energia elétrica, enquanto que a térmica consiste na conversão da radiação solar em calor. A conversão fotovoltaica apresenta extrema simplicidade, já que é obtida instantaneamente e diretamente dos terminais de uma fotocélula. A inexistência de peças mecânicas móveis, sua característica modular (desde mW até MW), os curtos prazos de instalação e funcionamento do sistema, além do elevado grau de confiabilidade e baixa manutenção, torna o sistema fotovoltaico muito atraente, em particular em locais distantes das áreas urbanas. Deve-se destacar também que os sistemas fotovoltaicos representam uma fonte silenciosa e não-poluente, sendo bastante adequados à integração no meio urbano, reduzindo quase que completamente as perdas por transmissão da energia devido à proximidade entre geração e consumo (MME, 2000; CRESESB <www.cresesb.cepel.br>, ago. 2005).

Na implantação de sistemas isolados que utilizam geração de energia elétrica a partir de fontes renováveis, é importante avaliar o desempenho dos sistemas utilizando ferramentas para a análise de fluxo de potência e de determinação do estado das tensões, de modo a fornecer uma energia com qualidade adequada, no que se refere à continuidade de fornecimento e redução de perdas ôhmicas. É preciso verificar como um sistema híbrido, composto por diversos tipos de fonte de energia, pode ser montado a fim de que possa ser minimizados o número de fontes utilizadas e as perdas nos condutores, diminuindo o custo global do sistema.

Neste trabalho, um programa computacional denominado "AFRESIS" (Alocação de Fontes Renováveis em Sistemas Isolados) é proposto para realizar a análise de fluxo de potência, estado das tensões e avaliação de perdas, através de informações fornecidas pelo usuário, tais como número de nós do circuito, fontes de tensão disponíveis, cargas, linhas de transmissão (conexões e características elétricas dos condutores).

 

2. Programa AFRESIS

O programa para a alocação de fontes renováveis em sistemas isolados, "AFRESIS", possui uma interface gráfica desenvolvida na linguagem computacional Visual Basic e o desenvolvimento dos cálculos é feito utilizando-se a linguagem FORTRAN.

O AFRESIS é utilizado para que possa ser obtido o melhor arranjo para a alocação das fontes, de modo que se possa fornecer tensão a todas as cargas, dentro de uma margem especificada na variação no nível destas tensões, com o número mínimo de fontes e a menor perda ôhmica global no sistema.

O AFRESIS é possui tratamento de erros refinado, impedindo a entrada de dados equivocados e em formatos incorretos.

O AFRESIS pode ser dividido nos seguintes blocos:

- Entrada dos dados do sistema

- Cálculo dos parâmetros elétricos do sistema

- Análise dos resultados e definição da melhor configuração

- Geração de um relatório

2.1. Entrada dos dados

A entrada dos dados pode ser feita passo a passo, onde o usuário insere cada informação seguindo uma seqüência pré-definida pelo programa, ou a partir de um arquivo contendo os dados do sistema, previamente formatado. A opção da forma de alimentação dos dados é apresentada na figura 1.

 

 

Caso o usuário opte por Importar Dados, um arquivo de entrada devidamente formatado é lido.

Caso a opção seja Inserir Dados, será aberta a janela da figura 2.

 

 

A janela da figura 2 deve ser alimentada com os seguintes dados de entrada:

- Diâmetro, em mm2, do condutor utilizado no sistema;

- Número de barras: neste campo deve ser inserido o número de barras (nós) que constituem o sistema, incluindo a barra de referência (por definição é a barra 1)

- Tolerância de tensão nas barras: é margem admitida de variação da tensão nas barras do sistema, que varia entre 0 e 50%.

- Número de fontes para alocação: número de fontes utilizadas para tentar satisfazer o critério de queda de tensão nas barras.

- Tensão nominal: valor da tensão nominal das fontes utilizadas no processo de alocação.

- Resistência interna: valor da resistência interna das fontes utilizadas.

Preenchidos os campos dos parâmetros do sistema, e clicando-se o botão Ok, é aberta a janela mostrada na figura 3.

Para que o usuário insira os dados das cargas (uma resistência ligada entre uma barra qualquer e a barra de referência), deve clicar em Cargas. Em seguida, é aberta a janela da figura 4. Para adicionar uma carga, basta colocar o número da barra onde a carga será inserida, o valor da sua potência (em Watts) e clicar em Adicionar. Nesta parte do programa, é possível também editar uma carga ou excluí-la.

 

 

Encerrada a seção, abre-se a janela para se adicionar as linhas (condutores utilizados para ligar duas barras diferentes da barra de referência). A janela para inserção das linhas é mostrada na figura 5.

A inserção de uma linha é feita através da especificação da barra inicial e barra final nas quais a linha está ligada e do valor de seu comprimento. Nesta janela, também é possível editar ou excluir linhas. Após inserir todas as linhas o usuário deve clicar em Encerrar seção.

Após inserir todos os dados o usuário deve então clicar em Salvar dados de entrada, na janela da figura 3. Em seguida, a janela da figura 6 é aberta.

 

 

Após salvar os dados, uma janela com todos os dados de entrada é exibida, conforme mostra a figura 7.

 

 

2.2. Cálculo dos parâmetros elétricos do sistema

Após a montagem do arquivo de entradas do sistema, o AFRESIS passa a calcular os parâmetros elétricos que irão definir a melhor configuração do sistema. Após uma análise dos dados, é calculada a corrente que passa em cada elemento, a corrente total fornecida por cada fonte, potência dissipada nas cargas e linhas, potência gerada total, potência total consumida e a capacidade do condutor escolhido para os níveis de corrente. Na figura 7, ao clicar em voltar, o usuário abrirá a janela mostrada na figura 8.

 

 

Caso seja escolhido o modo Resultado final, é mostrado o resultado do cálculo das perdas e dos níveis de tensão em cada uma das barras, para conexão de uma ou mais fontes (definido pelo usuário), para o melhor caso. Defini-se como melhor caso aquele que apresenta as menores perdas nas linhas com níveis de tensão dentro da margem de tolerância. Entretanto, o programa não é capaz de, automaticamente, definir o número de fontes a serem alocadas. Fica por conta da disponibilidade de fontes e mesmo da sensibilidade do usuário definir a quantidade de módulos de geração inseridos no sistema.

Caso seja escolhido o modo Passo a passo, é mostrado o vetor de tensão nas barras para cada alocação de fonte, até a escolha da melhor barra para alocação. Este modo permite um acompanhamento do comportamento do sistema para as diversas opções e combinações de alocação das fontes.

2.3. Análise dos resultados e definição da melhor configuração

Uma vez definida a forma como o resultado será mostrado, ou seja, o detalhamento dos resultados dos cálculos das potências nas linhas e tensão nas barras, é criado um arquivo de saída cujo nome é definido pelo usuário, conforme figura 9.

 

 

Ao clicar Ok, o usuário terá a sua disposição o relatório com o resultado da melhor barra ou barras para receberem as fontes de tensão, as tensões em todas as barras do sistema (todas dentro da margem de tolerância), a descrição de onde as cargas estão alocadas e a potência em todas as linhas do sistema. A figura 10 mostra o arquivo de saída, mostrada em uma janela aberta pelo programa, com o resultado apresentado conforme o método escolhido (no exemplo da figura 10, Resultado final).

 

 

3. Cálculo dos parâmetros elétricos do sistema em corrente contínua

A matriz de resistências do sistema é criada utilizando o método de inclusão de novas barras e novas linhas. A matriz é denominada, genericamente, como Zbus. Entretanto, como o sistema é em corrente contínua, todos os elementos do sistema são representados apenas por suas parcelas resistivas. Para manter a generalidade, mantém-se a denominação Zbus. O algoritmo para construção da matriz Zbus é implementado em linguagem Fortran, facilitando os cálculos necessários para a montagem da matriz.

Para a montagem da matriz Zbus, devem ser definidos os elementos que compõe o sistema em corrente contínua (STAGG, 1968):

- Ramo: quando um elemento novo é inserido entre uma barra já existente ou não e uma nova barra;

- Ligação: quando o elemento é inserido entre duas barras já existentes;

- p: barra inicial;

- q: barra final;

- l: barra auxiliar para eliminação;

- m: número de barras do sistema;

- Z: impedância do elemento (no caso, o elemento é puramente resistivo).

As equações para construção da matriz Zbus são apresentadas na tabela I.

Supondo-se que uma fonte de tensão é alocada na barra n, calcula-se a corrente nominal fornecida pela fonte:

onde n é o número da barra do sistema onde a fonte inicial é adicionada.

No caso de uma única fonte ligada na barra 2 (a barra 1 é sempre a referência do sistema e não aceita alocação de fonte), o vetor corrente nos nós é dado por:

É então calculado o vetor tensão V nas barras:

Desloca-se a fonte para as demais barras do sistema. Analisa-se então em qual das barras de ligação da fonte inicial houve uma menor queda de tensão e avalia-se o fluxo de potência no sistema. A barra que resultar na menor perda global devido ao fluxo de potência, com todas as tensões dentro da margem de tolerância, é definida como a barra para alocação da fonte.

Caso se deseje alocar mais que uma fonte, o processo de combinação é o mesmo que o para uma única fonte, mas com a ocupação de duas posições no verto de corrente. Assim, pode-se comparar o desempenho do sistema com relação a números distintos de fontes alocadas.

 

4. Conclusões

O programa AFRESIS foi elaborado com tratamento de erros refinado, impedindo a entrada de dados equivocados e em formatos incorretos. Após a análise completa dos dados, é calculada a corrente que passa em cada elemento, corrente total fornecida por cada fonte, potência dissipada nas cargas e linhas, potência gerada total, potência consumida total e se o condutor escolhido suporta a maior que corrente que passa por um dado elemento. A partir destes resultados, é definida a melhor alocação para as fontes, no que se refere à redução de perdas globais, garantido o fornecimento de tensão em todas as barras, dentro de uma tolerância pré-definida.

Novas pesquisas têm sido realizadas para que, a partir da utilização de algoritmos genéticos, o programa possa automaticamente definir o número de fontes e sua localização, além de realizar uma análise econômica de todo o sistema. O programa AFRESIS é parte de um sistema de dimensionamento de sistemas isolados de distribuição em corrente contínua.

O principal objetivo deste trabalho é fomentar a idéia de se trabalhar em rede pode ser aplicada em sistemas de corrente contínua isolados, minimizando o número de fontes para suprir a demanda necessária e reduzir perdas.

Este estudo é parte de pesquisas desenvolvidas para a avaliação de sistemas isolados alimentados por fontes renováveis, constituindo um sistema híbrido em corrente contínua.

 

Agradecimentos

Os autores agradecem ao CNPq e à UNESP pelo apoio no desenvolvimento do trabalho.

 

Referências

[01] Plastow, J. W.; Energy services for na electricity industry based on renewable energy, IEE Power Engineering Journal, vol. 15 no. 5, Oct. 2001

[02] Setor Energético: Destaques em 1999 e Oportunidades de Negócio, Ministério das Minas e Energia, maio 2000.

[03] CRESESB - Centro de Referência para Energia Solar e Eólica Sérgio de Salvo Brito - <www.cresesb.cepel.br> Acesso em 17 ago. 2005

[04] Stagg, G. W. e El-Abiad, Ahmed H.; Computer methods in power system analysis, Mc-Graw Hill, USA, 1968.