Metodologia expedita para acessar os efeitos da geração intermitente de energia elétrica em sistemas de potência

Abstract

Resumo: A principal contribuição deste trabalho de pesquisa é oferecer aos analistas de sistemas de potência uma ferramenta que permite avaliar de modo rápido, o comportamento horário das grandezas elétricas desses sistemas, em função da variação das fontes de energias eólica e solar. Não é uma ferramenta que envolve precisão de dados, mas uma ferramenta que fornece respostas rápidas e suficientes à tomada de decisões por esses analistas. A ferramenta proposta é original e adequada principalmente para análise das correntes através de disjuntores, tema que tem atraído a atenção de analistas de várias partes do mundo, devido à necessidade de expansões e mudanças de topologia nos sistemas de energia. As variações nas potências injetadas por essas fontes de energia podem aumentar o valor das correntes através dos disjuntores, resultando em um alerta aos analistas sobre a necessidade de substituição por equipamentos com maior valor nominal de corrente. A avaliação do impacto da variação das fontes de energias eólica e solar não apenas nas correntes através dos disjuntores, mas também na energia de reserva e nas magnitudes das tensões nodais é alcançada através da solução de um fluxo de potência ótimo determinístico estendido com fuzzy (FPO-DEF), composto por dois estágios. O primeiro estágio, envolve a solução de um fluxo de potência ótimo determinístico estendido (FPO-DE) e fornece as variáveis determinísticas das grandezas elétricas de sistemas de energia. Para esta etapa, enfatiza-se que a formulação do FPO-DE contempla uma modelagem original no nível da subestação, o que permite a avaliação direta das correntes através dos disjuntores. Além disso, esta formulação contempla os valores médios horários das potências ativas das fontes de energias eólica e solar nas equações de balanço de potência ativa. A solução do primeiro estágio exige o tradicional elevado tempo computacional de soluções envolvendo FPOs. No segundo estágio, as incertezas das grandezas elétricas de sistemas de potência são obtidas considerando uma análise horária. Essas incertezas são determinadas pela soma das variáveis determinísticas (primeiro estágio) com variáveis fuzzy. As variáveis fuzzy são obtidas quando os valores máximos e mínimos das fontes de energias eólica e solar são aplicados à solução FPO-DE, por meio de uma análise de sensibilidade qualitativa. O segundo estágio apresenta menor tempo computacional quando comparado ao primeiro estágio. Com a ferramenta proposta, os analistas de sistemas de potência podem executar o FPO-DE uma vez, o que demanda maior tempo computacional e trabalhar com mais frequência com o segundo estágio, que exige menor tempo computacional. O segundo estágio fornece respostas rápidas e autênticas para uma análise geral das grandezas elétricas do sistema, em função da variação das fontes de energias eólica e solar. Palavras-chave: disjuntor, modelagem da rede elétrica, fluxo de potência ótimo, energias eólica e solar.

Abstract: The main contribution of this research work is to offer power systems analysts a tool that allows the rapid assessment of the hourly behavior of the electrical quantities of these systems as a function of the variation of wind and solar energy sources. It is not a tool that involves data accuracy, but rather a tool that provides enough and rapid responses to decision making by those analysts. The proposed tool is original and suitable mainly for analysis of currents through circuit breakers, a theme that has attracted the attention of analysts from various parts of the world, due to the need for expansions and topology changes in power systems. The variations in the power injected by these energy sources can increase the value of the currents through the circuit breakers, resulting in an alert to the analysts about the need for replacement with equipment with higher nominal current value. The assessment of the impact of the variation of the wind and solar energy sources not only on the currents through the circuit breakers, but also on the reserve energy and the nodal voltage magnitudes is reached through the solution of fuzzy extended deterministic optimal power flow (FED-OPF), composed by two stages. In the first stage, the extended deterministic optimal power flow (ED-OPF) solution provides the deterministic variables of the power system electrical quantities. For this stage, it is emphasized that the formulation of ED-OPF contemplates an original modeling at the substation level, which enables the direct assessment of the currents through the circuit breakers. In addition, this formulation contemplates the hourly average values of the active powers of wind and solar energy sources in the active power balance equations. The first stage solution demands the traditional expensive computational time of solutions involving OPFs. In the second stage, the uncertainties of the power system electrical quantities are obtained considering an hourly based analysis. These uncertainties are determined by the sum of determinist variables (first stage) with fuzzy variables. The fuzzy variables are obtained when the maximum and minimum values of these energy sources are applied to the ED-OPF solution, through a qualitative sensitivity analysis. The second stage presents lower computational time when compared to the first stage. With the proposed tool, power system analysts can run EDOPF once, which demands longer computational time and work more frequently with the second stage, which demands lower computational time. The second stage provides rapid and authentic responses for a general analysis of the electrical quantities of the system as a function of the variation of wind and solar energy sources. Keywords: Circuit breaker, network modeling, optimal power flow, wind and solar energies.