Alocação de capacitores série em sistemas de distribuição de energia elétrica e análise de seu impacto na operação em regime permanente

Abstract

Resumo: Para se assegurar qualidade de energia nas redes de distribuição, utilizam-se Regulador de Tensão (RT) e Banco de Capacitores instalados em paralelo (BCshunt) ao longo dos alimentadores. No entanto, outro dispositivo pouco utilizado, como o Banco de Capacitores ligados em série (BCsérie) nos alimentadores, também pode auxiliar na busca por qualidade de energia. Assim, a estratégia proposta é apresentar formulação matemática de um problema de otimização que vise alocar e dimensionar BCshunts e RTs (como tradicionalmente implementado no setor elétrico), juntamente com BCséries em redes de distribuição. Estes dispositivos são alocados via Algoritmos Genéticos (AG), juntamente com o Fluxo de Potência Ótimo Multiperíodo Não Linear (FPOM). A estratégia proposta é a adoção dos AG para a alocação de: (i) alocação de RTs, estabelecendo potência nominal e local de instalação e BCshunts, estabelecendo o tipo de banco (fixo ou automático), potência (em kvar) e local de instalação, e (ii) alocação de RTs, BCshunts e BCséries, estabelecendo o valor de reatância capacitiva a ser inserida na linha e em qual linha. Já o FPOM se responsabiliza pela análise da rede pós-alocação ao longo de 24 horas e ajuste dos taps dos RT que asseguram os níveis de tensão adequados na rede. A função objetivo é baseada em critérios de minimização que se referem a custos de perda de potência ativa, penalizações por violação de tensão e custos dos equipamentos alocados. Os resultados para o algoritmo proposto são apresentados para um sistema de distribuição radial de 90 barras. Eles mostram que os BCséries quando instalados isoladamente, funcionam adequadamente para controle de tensão em alimentador com mudanças abruptas da carga, apresentando-se como uma solução com menor custo de investimento e menor tempo de retorno quando comparada com as soluções que utilizam RTs e BCshunts. E, ao se utilizar BCséries em conjunto com RTs e BCshunts, observaram-se melhores índices de estabilidade de tensão e maior redução nas perdas elétricas do que os obtidos quando se utiliza apenas RTs e BCshunts na rede, o que levou a tempos de retorno de investimento menores. Estes resultados vislumbram a viabilidade dos BCséries serem mais bem estudados no planejamento de redes de distribuição, o que abre um maior leque de possibilidades que podem ser implementadas como solução para melhorar a eficiência energética.

Abstract: High levels of reactive power and load on the distribution network result in increased technical losses and voltage magnitude variations. These facts compromise the quality of the electrical energy supplied to the electrical energy consumer. Usually, Voltage Regulator (RT) and Capacitor Bank installed in parallel (BCshunt) are used to ensure power quality along the feeders. However, another device, such as Capacitor Bank connected in series (BCséries) along the feeders, can also help used to ensure power quality. Thus, the proposed strategy is to present a mathematical formulation of an optimization problem that aims to allocate and size BCshunts and RTs (as traditionally implemented in the electricity sector), together with BCséries in distribution networks. These devices are allocated via Genetic Algorithms (GA), together with Multi-Period Optimal Power Flow (FPOM). The proposed strategy is the adoption of GA for the allocation of: (i) BCshunts, establishing the type of bank (fixed or automatic), power (in kvar) and installation location, (ii) RTs, establishing nominal power and installation location, and (iii) BCséries, establishing the capacitive reactance value to be inserted in series with the line chosen to be compensate. The FPOM is responsible for analyzing the post-allocation network over a 24-hour period and adjusting the RT taps that ensure adequate voltage levels in the network. The objective function is based on minimization criteria that refer to active power loss costs, penalties for voltage violations and allocated equipment costs. The results for the proposed algorithm are presented for a 90 buses radial distribution system. They show that the BCseries, when installed in isolation, work adequately to control voltage in feeders with abrupt load changes, presenting themselves as a solution with lower investment costs and shorter Return on Investment, when compared to solutions that use RTs and BCshunts. And, when using BCseries in conjunction with RTs and BCshunts, better voltage stability rates and greater reduction in electrical losses were observed than those obtained when using only RTs and BCshunts in the network, which led to time of Return on Investment smaller. These results highlight the feasibility of BCseries being better studied in the planning of distribution networks, which opens a greater range of possibilities that can be implemented as a solution to improve energy efficiency.