Planejamento de suporte de reativo para redes de distribuição com forte penetração de geração solar fotovoltaica

Abstract

Resumo: O planejamento de reativo das redes de distribuição, principalmente com a alocação de bancos de capacitores, já é um assunto bastante discutido e consolidado na literatura. Existem diversas técnicas que propõem resolver de forma otimizada este problema, que pode se apresentar de maneira isolada ou de forma híbrida considerando outros equipamentos, como reguladores de tensão, para corrigir problemas de tensão na rede. Entretanto, com a crescente penetração de geração distribuída na rede de distribuição, principalmente a geração solar fotovoltaica, o planejamento de reativo deve ser atualizado para minimizar os problemas oriundos da massiva penetração deste tipo de geração, principalmente em termos de fator de potência. Os trabalhos atuais na área consideram a geração fotovoltaica como mais um sistema a ser alocado, porém, à princípio, é o consumidor que decidirá instalar um sistema de geração distribuída em sua propriedade, ou seja, esta unidade de geração não será previamente alocada, a menos que seja de posse da concessionaria. Sendo assim, o diferencial deste trabalho consiste em estudar os impactos provenientes da forte penetração de geração fotovoltaica na alocação simultânea de bancos de capacitores e reguladores de tensão. Para isso, considerando a tecnologia dos inversores de eletrônica de potência disponíveis, este trabalho tem por objetivo modelar, em um Fluxo de Potência Ótimo, o despacho de potência reativa destes geradores para atuarem como compensadores de potência reativa ao longo de todo o dia, mesmo no período noturno quando não existe geração de potência ativa. De forma a orientar este despacho das unidades de geração fotovoltaica, é proposto uma nova função objetivo para o Fluxo de Potência Ótimo que consiste em minimizar o desvio do fator de potência da subestação de valores especificados. O processo de alocação é resolvido por meio de Algoritmos Genéticos modelado de forma a permitir a alocação de bancos de capacitores em barras de média tensão e de baixa tensão, enquanto que reguladores de tensão são alocados apenas na rede de média tensão. Os resultados demonstram que com este tipo de abordagem elimina-se a necessidade da utilização de bancos de capacitores fixos na rede de distribuição, sendo necessário apenas a utilização de bancos de capacitores automáticos nos períodos de máxima geração de potência ativa, dependendo do nível de penetração de geração fotovoltaica. Outros resultados mostram que a combinação de bancos de capacitores, reguladores de tensão e geração fotovoltaica com capacidade de despacho de potência reativa é extremamente eficiente para resolver os problemas de qualidade de energia elétrica, minimizando as perdas elétricas sistêmicas. Todas as simulações foram realizadas em cinco cenários com diferentes níveis de penetração de geração fotovoltaica e operação de bancos de capacitores automáticos, considerando um sistema teste de 90 barras, sendo 70 barras de média tensão e 20 barras de baixa tensão acopladas por transformadores típicos de distribuição.

Abstract: The reactive planning of distribution systems, mainly with the allocation of capacitor banks, is already a consolidated and much-discussed subject on the literature. There are several techniques that propose to solve this problem in an optimized way, which can be presented in an isolated or hybrid way considering others equipment, such the voltage regulator. However, with the increasing penetration of distributed generation on the distribution systems, mainly the solar photovoltaic generation, the reactive planning must be updated to mitigate the problems arising from the massive penetration of this kind of generation, mainly in terms of power factor. The current works on this subject consider the photovoltaic generation as another system to be allocated, however, at first, is the consumer who will decide to install a distributed generation system in his property, in other words, this generation unity won't be previously allocated unless it is owned by the utility. Therefore, the differential of this work consists to study the impacts from the photovoltaic generation penetration on the simultaneous allocation of capacitor banks and voltage regulators. For this, considering the current available power electronics technology, this work aims to model, in an Optimum Power Flow, the reactive power dispatch of these generators to act as reactive power compensators all day long, even at night period when haven't active power generation. To guide the dispatch of photovoltaic generation units, a new objective function for the Optimum Power Flow is proposed in this work which consists to minimize the power factor deviation of the substation from specified values. The allocation process is solved through Genetic Algorithms modeled to allow the allocation capacitors banks in medium voltage and low voltage buses, while the voltage regulator is allocated only on the medium voltage network. The results show that this approach eliminates the need for the use of fixed capacitor banks on the distribution system, requiring only the use of automatic capacitor banks during the maximum active power generation periods, depending on the penetration level of photovoltaic generation. Others results show that the combination of capacitor banks, voltage regulators and photovoltaic generation with reactive power dispatch capability is extremely effective to solve electric energy quality problems on the system, minimizing systemic electrical losses. The simulations were performed on five canaries with a different penetration level of photovoltaic generation and automatic capacitor banks operation, considering a 90 buses test system, with 70 medium voltage buses and 20 low voltage buses coupled with typical distribution transformers