Alocação ótima de baterias para alívio de congestionamento de linhas de transmissão

Abstract

Resumo: Os sistemas de armazenamento de energia têm se tornado importantes aliados para a operacionalização de sistemas elétricos compostos por fontes eólicas e solares, os quais são usados principalmente para contornar os elevados níveis de variabilidade de geração desses tipos de fonte. No entanto, os sistemas de armazenamento possuem várias outras aplicações em Sistemas Elétricos de Potência, tal como, uso para aliviar congestionamento na rede de transmissão. Assim, as questões de congestionamento das linhas de transmissão, aliadas ao uso crescente da carga, esgotamento dos recursos hídricos e aumento das fontes eólicas e solares no sistema elétrico brasileiro, justificam a importância de também se realizar estudos a respeito do impacto dos sistemas de armazenamento nos fluxos de potência através das linhas de transmissão de sistemas elétricos. Dentre as várias tecnologias de armazenamento existentes, este trabalho aborda as baterias, as quais protagonizam a maioria dos sistemas de armazenamento de energia instalados na atualidade. Assim, este trabalho tem como foco analisar o uso de baterias em sistemas hidrotérmicos com penetração de fonte eólica, com objetivo de contornar sobrecarga nas linhas de transmissão. Para tanto, é necessário antes, realizar um estudo de como alocar e dimensionar as baterias e uma vez feita as alocações, analisar os impactos advindos de suas instalações na rede de transmissão do sistema hidro-termo-eólico. A alocação e o dimensionamento ótimo das baterias deve ser feita no sentido de minimizar os cortes de carga oriundos dos congestionamentos nas linhas, de se despachar a geração hidráulica e térmica de modo a minimizar os custos de geração das usinas térmicas, além de minimizar os próprios custos de aquisição e operação das baterias. Para tanto, este trabalho formula um problema de otimização que aloca e dimensiona sistemas de baterias em sistemas hidrotérmicos com penetração de fonte eólicas, solucionado via Algoritmos Genéticos e Fluxo de Potência Ótimo Multiperíodo. Os resultados e análises foram realizados utilizando sistema de 33 barras e eles mostram que é possível reduzir cortes de carga devido ao congestionamento da rede de transmissão, postergando assim, a construção de novas linhas de transmissão através da instalação de sistemas de armazenamento.

Abstract: Energy storage systems have become important allies to operationalize electrical systems composed of wind and solar sources, which are mainly used to contour high levels of generation variability of these types of sources. However, storage systems have several other applications in Electric Power Systems, such as to alleviate transmission network congestions. Thus, the issues of transmission congestion together with the increasing of load, depletion of water resources and increase of wind and solar sources, as occurring in the Brazilian electrical system, justify the importance of also carrying out studies about the impact of storage systems on power flows through the transmission lines of electrical systems. Thus, this work focuses on analyzing the use of batteries in hydrothermal systems with penetration of wind source, with the intention to circumvent transmission congestions. For that, it is necessary, beforehand, to carry out a study of how to allocate and size the batteries and, once the allocations are made, analyze the impacts arising from their installations on the hydrothermal system's transmission network. The optimal allocation and sizing of the batteries are made to minimize load cuts arising from congestion on the lines, to dispatch hydraulic and thermal generation to minimize the generation costs of thermal plants, in addition to minimize the acquisition and operating costs of the batteries. Therefore, an optimization problem is formulated that allocates and sizes battery systems in hydrothermal systems with penetration of wind sources, solved via Genetic Algorithms and Multiperiod Optimal Power Flow. The results and performance analysis are done using a system of 33 buses. The results show that it is possible to reduce load cuts due to transmission congestion, thus postponing the construction of new transmission lines after the installation of storage systems.