SMART MODELING OF OPTIMAL INTEGRATION OF HIGH PENETRATION OF PV - SMOOTH PV

RESUMO:

CAP 1- INTRODUÇÃO E RECONHECIMENTO

(todos os tópicos serão discutidos em outros capítulos)

Marcos Históricos (Milestones)

ENERGYNAUTICS

2 - Atualização Modelo UE

3 - Validação do Modelo UE

4 - Simular Impacto sobre Modelo UE

Reconhecimento:

Sobre pesquisa foi financiada com número de concessão 0325272 pelo Ministério Federal Alemão do Ambiente, Conservação da Natureza e Segurança Nuclear. A responsabilidade pelo conteúdo desta publicação é dos autores.

INSTITUTE OF ENERGY ECONOMICS

6 - Desenvolver Modelo Econômico

7 - Crédito Capacidade de PV e Armazenamento Opções

8 - Energynautics Suporte

9 - Relatório Final

Reconhecimento:

Esta pesquisa foi financiada através da inteligente Modeling of Optimal Integração de alta penetração do PV (PV smoth) projeto com número de concessão 0.325.272 pelo estado federal da Renânia do Norte Vestefália. A responsabilidade pelo conteúdo desta publicação é dos autores.

THE ROYAL INSTITUTE TECHNOLOGY (KTH)

14 - Modelos PV para o controle de tensão

15 - Validação de Modelos PV Simulação

16 - Problemas de controle Simular e Dimensionamento

Reconhecimento:

Nós gostaríamos de agradecer Agência Sueca de Energia para o apoio financeiro da KTH por parte do projeto.

TECHINICAL UNIVERSITY OF DENMARK (DTU)

10 - Modelo de Desenvolvimento

11 - Validação do modelo

12 - Simulação do impacto do PV na rede de baixa tensão

Reconhecimento

A pesquisa foi apoiada por Energinet.dk através de programa de pesquisa ForskEl sob o número concessão 2010-1-10580. A responsabilidade pelo conteúdo desta publicação é dos autores.

EINDHOVEN UNIVERSITY OF TECHINOLOGY (TUE)

18 - modelos de inversores para as investigações de Qualidade de Energia

19 - Validação de Modelos PV Simulação

20 - Simular Problemas de qualidade de energia em BT e MT Networks

Reconhecimento

Os autores agradecem aos estudantes de mestrado da TU / e que contribuíram para este relatório: Ernauli Christine Aprilia e Jiaqi Feng.

CAP 2- MOTIVAÇÃO E BRIEF OVERVIEW DO ESTADO ATUAL DO PROJETO NA EUROPA

2.1 Motivação 

- Redução de emissao significativa de CO2 (20% em 2020 comparado a 1990)

- para tal deve crescer significativamente a energia fotovoltaica. (esperado centenas de gigawatts)

- esse aumento irã influenciar no funcionamento do sistema de energia atual e seu design.

 O objectivo deste projeto foi para investigar o efeito de aumento da penetração PV sobre a baixa tensão, média e redes de alta tensão em toda a Europa e a desenvolver as soluções para atingir a operação do sistema de alimentação de confiança com uma elevada penetração de PV.

Relevantes para este projeto são:

• Na rede de distribuição, uma elevada percentagem de PV pode exigir novas abordagens para controle de tensão. 

• Sobre o nível global do sistema de energia, uma elevada percentagem de PV pode causar equilibrar questões, devido à natureza variável de geração PV. 

Assim, um dos objectivos-chave e objectivos deste projecto foi o desenvolvimento de ferramentas avançadas de modelagem e simulação utilizando a ferramenta de software DIgSILENT PowerFactory para avaliar o impacto de uma penetração em grande escala de PV sobre o ótimo econômico projeto / operação da distribuição e redes de transmissão.

Principais desafios:

• Modelagem de sistemas fotovoltaicos e validação dos modelos;

• Modelando o variabilidade de sistemas fotovoltaicos de nível de alimentador e o seu impacto no controle de tensão;

• Modelando a interação entre alimentadores incluindo PV e unidades ativas;

• impacto operacional de uma grande parcela da PV na rede e requisitos de alta tensão existente sobre

uma atualização de rede possível;

• impacto econômico de uma grande parte do PV sobre o funcionamento do sistema de energia.

2.2 Brief Overview na Europoa

A capacidade PV acumulado na UE atingiu os 68,6 GW, enquanto a produção total durante o ano atingiu 68,1 TWh (Figura 2.1). Este desenvolvimento indica que as metas estabelecidas no PANER será alcançado muito mais cedo, provavelmente já em 2013.

A taxa de crescimento anual média entre 2000 e 2011 foi de 75%, que é três vezes a 25% necessitaram de entre 2011 e 2020, a fim de chegar a 12% do fornecimento de eletricidade na Europa a partir de sistemas solares fotovoltaicos

“ A principal questão a realizar tais metas ambiciosas não é se ou não a indústria de PV pode fornecer os sistemas necessários, mas se ou não a infra-estrutura de rede de eletricidade será capaz de absorver e distribuir a eletricidade solar gerada. ” [1]

O desenvolvimento de instalações fotovoltaicas é bastante desigual entre os países europeus. Em primeiro temos a Alemanha. Como resultado, integrando PV para o sistema de energia é já hoje uma grande tarefa para empresas da rede na Alemanha e Itália, bem como empresas de rede em outros países europeus.

2.3 Caracteristiocas t~ecnicas do sistema PV

Os sistemas fotovoltaicos, diferentemente de outras formas de geração , usam a eletrônica de potência exclusivamente, para se conectar a rede elétrica. 

A estrutura atual de interface modular tem progredido e sido desenvolvido de modo a aumentar a eficiência e confiabilidade das células solares.  Utilizando diferentes células solares em uma matriz ou um aglomerado são expostos a uma radiação diferente. Assim, operando cada um conversor a um diferente ponto de potência máxima (MPP), uma maior confiabilidade de comparação com a utilização de um sistema de conversão central é conseguida

As novas tecnologias de interface têm diferentes propriedades técnicas em comparação com geradores síncronos, mas o poder conversores eletrônicos têm a vantagem de poderem ser concebido e programado para fornecer quase todos os recursos técnicos necessários para a operação do sistema elétrico.

• Cos Phi = f (P) 

• Cos Phi = constante

• Q = f (L)

• Q = f (P)

• Q = constante

Assim, as características técnicas programáveis de inversores fotovoltaicos podem fornecer soluções interessantes para a integração do sistema de energia, eles devem ser cuidadosamente estudadas antes de implementados em operação.

CAP 3- QUESTÕES SOBRE A INTEGRAÇÃO PV

3.1 VARIAÇÕES DE POTENCIA DA GERAÇÃO PV

A potência gerada pelas centrais solares varia sobre a alteração do ângulo de incidência sol. Numa base diurna e sazonal, e de uma forma estocástica, como um resultado de alterações induzidas por movimento nuvem e variações de temperatura.  

Estas flutuações estocásticos são, relativamente visto, muito maior em áreas menores em comparação com áreas maiores já que a produção PV não varia da mesma forma em todos os locais ao mesmo tempo.

3.1.1 Efeitos Smoothing

-  Uma das principais preocupações sobre a geração de PV é sua variabilidade.
- Tendo em  conta que a variabilidade está a tornar-se uma ocorrência diária
-  Variabilidade aumenta a quantidade de recursos de balanceamento necessárias e o custo de equilíbrio associado.

Conseqüentemente,

A variabilidade não é um conceito novo no sistema de operação. Visto que a carga de cada consumidor muda constantemente. Porem analisando áreas com grande concentração de carga, essas variações são compensadas chegando a áreas de equilíbrio onde os operadores são responsáveis por manter o equilíbrio entre geração versus carga.
os operadores devem manter reservas de geração suficiente mara manter esse equilíbrio, mesmo que ocorram falhas nos equipamentos de energia, a operação deve ser capaz de reenviar a carga para outros geradores operando. A variação de geração PV  pode e irã afetar essa operação e a mesma deve estar preparada para no caso de nuvens, uma grande planta pode reduzir drasticamente a geração ou até aumentar drasticamente após a passagem das nuvens..

3.1.2 Ramp Rates

As Ramp Rates caracterizam o quão rápido a produção de PV pode mudar dentro de um determinado período de tempo.
- Esta diretamente ligadas aos efeitos Smoooths.
- Para as plantas de energia individuais os taxas de rampa de produção de energia solar pode ser bastante grande, com a passagem de nuvens escuras, enquanto que o nascer do sol e de pôr do sol são processos relativamente mais lentos.
- Quando se avalia certas instalações possíveis futuras é essencial para ter pontos de medição suficientes para a radiação solar e temperatura.
- É essencial para ter pontos de medição suficientes para a radiação solar e temperatura.

O  tempo durante o qual os valores médios são medidos é principalmente essencial para pequenos

sistemas onde não pode ser bastante grandes alterações a partir de cada minuto. Para um sistema de grande porte a diferença entre, por exemplo valores médios hora ou 30 minutos valores médios não é tão grande. No entanto, os valores médios mais curtas são também de interesse para áreas maiores, se há pontos de estrangulamento no sistema entre as diferentes sub-áreas.

3.1.3 Questoes sobre previsão de PV

PV aumenta - A demanda gerada reserva do sistema se torna menos previsível - dificulta estudos de planejamento da expansão.
Qualidade e confiabilidade da previsão é tema de trabalho de pesquisa intensiva.

Risco - não haver reservas suficientes no determinado intervalo de tempo.
Hoje desvios de níveis de geração de previsão são operadas principalmente pelas reservas de balanceamento constituídos por unidades de geração convencionais.

Superestima na previsão de recursos solar ou eólica pode levar à ausência de reservas de equilíbrio, enquanto sub-previsão é menos de um problema do ponto de vista de operação do sistema. No entanto, se aplicado com freqüência, redução põe em risco a economia das plantas de energia renovável.

3.2 PAPEL DA REDE NO ARMAZENAMENTO E DSM (demanda Side Management)

-  Devido natureza da geração de energia a partir de PV, o armazenamento e a DSM, níveis elevados de geração seriam melhor conectados as redes de transmissão. Ajudaria a equilibrar os recursos de geração desigualmente distribuídos e demanda em regiões de diferentes dimensões e a suavizar a variabilidade induzida na PV.

- Para longas distâncias de alta tensão (HVDC) interconexões diretas atuais tornam-se interessantes devido aos seus benefícios econômicos e técnicos em comparação com os sistemas tradicionais de alta tensão em corrente alternada (HVAC).

- A rede de transmissão também desempenha um papel importante na prestação de serviços auxiliares e entrega de energia de reserva a partir de grandes centrais de regulação de frequência.  Com a penetração de PV seria necessário mais pontos de regulação de frequencia.

- Tecnologias de armazenamento pode ser dividido em várias categorias, dependendo da duração que eles são capazes de absorver ou injetar potencia, sua velocidade de resposta e a duração de tempo para que eles possam armazenar a energia.

- Sistemas de armazenamento de energia de ação rápida de curto prazo são representados por hidro armazenamento, armazenamento de energia de ar comprimido, baterias, volantes e supercapacitores.

- Grandes períodos de armazenamento teriam que ser  por hidrogênio ou metano sintética, ou a assim chamada tecnologia potencia-para-gás.  O problema atual de armazenamento de hidrogênio é a falta de infraestruturas necessárias.
- Na Alemanha se usa tecnologia de armazenamento a gás metano

 - Para as PVI o armazenamento financeiramente mais atraente torna-se, o que, neste caso, é provável que seja de armazenamento da bateria. As baterias são atualmente muito caro e numerosas pesquisas estão sendo feitas a fim de conseguir um avanço tecnológico e reduzir seu custo. Além disso, barreiras regulamentares relativas. Utilizada normalmente para consumo próprio.

- A integração eficiente da grande quantidade de energias renováveis no sistema de energia vai exigir
uma colaboração das três medidas discutidas: rede elétrica, armazenamento e demanda gerenciável.

- O armazenamento pode ser colocado perto dos consumidores e locais ricos em recursos renováveis. É considerado um componente vital de micro-redes - pequenas áreas do sistema de energia que têm a
capacidade de desconectar-se do sistema em massa no caso de um apagão e operar em modo ilha.

3.3 QUESTÕES NA REDE DE DISTRIBUIÇÃO

3.3.1 Varai ação de tensão nas redes de distribuição

- grandes quantidades de PV conectadas a BT e MT, pode gerar sobre tensão devido a grande geração
- a capacidade maxima de PV depende da potência de curto-circuito do ponto de ligação e a carga presente.
- mudanças rápidas na saída PV também pode conduzir a variações de tensão rápida, também conhecidos como tremulação, que pode ser visível para o olho humano a partir de uma lâmpada eléctrica.

3.3.2 problema de controle de tensão / coordenação PV

- Alta geração e pouca carga pode comprometer a capacidade de hospedagem.

Violação do perfil de tensão pode ser combatida através das seguintes abordagens:
• A redução da tensão da subestação, ( cuidado para não afetar outros consumidores)
• Ajustando Tapes nos transformadores LV,(difícil encontrar uma boa definição que satisfaça ambos os casos de produção nominal e nenhum PV)
• Reforçando a linha de distribuição, (dispendioso)
• Armazenamento de energia,
• Load shaping / shifting, por exemplo, o carregamento de veículos elétricos,
• redução de potência ativa,(resulta em considerável perda de receita total,impede que o sistema PV injete toda sua capacidade)
• contribuição potência reativa.(a regulação de tensão através do consumo de potência reativa por sistemas fotovoltaicos é menos eficaz do que a redução da potência ativa)


3.3.1 Questões de qualidade

3.3.1.1 Distorção harmônica

- A injeção adicional de correntes harmônicas por inversores fotovoltaicos vai levar a um aumento na distorção de tensão na rede.

• emissão harmônica de inversores fotovoltaicos;
• impedância equivalente de inversores.

Os tipos de primeiros inversores fotovoltaicos tinha atual distorção harmônica total (THD) entre 10% até superior a 20%. considerações convencionais [31] limitar a distorção procura total (TDD) de todos os geradores distribuídos a 5%. Os novos tipos de inversores fotovoltaicos possuem distorção harmônica como 5% THD (ou menos) em condição de operação nominal.

A influência da capacitância de inversores nas frequências de ressonância de saída é outro aspecto que precisa de ser considerado para um cenário de níveis muito elevados de penetração de inversores fotovoltaicos.

3.3.1.2 Suporte tensão durante curtos circuitos (tensão Dips)

Maiores quantidades de geração no sistema significa que elas devem contribuir para a estabilidade de frequência e tensão suporte durante curtos-circuitos.

Efeitos positivos do gerador síncrono durante a falha
• Para a proteção que é fácil distinguir curto-circuitos a partir de variações de carga, correntes de energização, etc.
• Ele fornece suporte de tensão até que a eliminação do defeito; devido a isso, o nível de tensão não cair para baixo a zero para toda a rede perto da localização da falta [32].

Geradores de interface-inversor não apresentam tal comportamento de curto-circuito. Quando o suporte de tensão é esperado de um inversor, ele tem que ser construído em como uma função de controle especial. Como o número de geradores inversor interface está aumentando na rede, isso traz a preocupação de que o apoio de tensão na rede irá diminuir devido aos geradores síncrono.
Isso levaria a perdas financeiras adicionais causados por quedas de tensão.


3.4 QUESTÕES NA REDE DE TRANSMISSÃO

3.4.1 Power System Serviços auxiliares

 Os serviços auxiliares que podem ser fornecidos por sistemas fotovoltaicos.
Varios países têm diferentes definições do que está incluído nos serviços auxiliares.

3.4.2 Suporte de potencia reativa

Em muitos sistemas fotovoltaicos, o inversor tem classificação mais elevada do que a saída de
energia ativa dos painéis fotovoltaicos, o que implica que o apoio da potência reativa é possível em todos os momentos.

3.4.2 Controle de tensão

Necessário maiores estudos de um modelo agregado adequado de redes de distribuição que consistem em sistemas fotovoltaicos, a fim de estudar adequadamente o comportamento das redes de distribuição sobre a estabilidade do sistema de potência, dinâmica e questões de controle.
A proposta de utilizar o controle de tensão pelo método de potencia ativa se torna mais eficaz nesses casos.


3.5 QUESTÕES NO PLANEJAMENTO

os planejadores devem olhar decadas a frente e determinar a remodelação mais custo-eficiente e expansão das capacidades de rede e geração de sistemas de energia.
levando em conta
-  maciça das capacidades fotovoltaicos instalados (e outras energias renováveis)
-  desafio de fazer projeções futuras em um ambiente que é muito mais incerto
- levar em conta fatores descomissionamento de fósseis de ombustível de plantas ou a eliminação gradual das usinas nucleares
-  acoplamento mercado

O foco do planejamento do sistema é garantir a segurança do fornecimento aos clientes de uma maneira custo-eficiente.

Para assegurar uma acção coordenada na Europa no lado da rede, ENTSO-E publica o seu Plano Decenal de Desenvolvimento da Rede (PDDR) para a Europa, que identifica os gargalos da rede e expansões necessárias, principalmente em resultado do desenvolvimento das energias renováveis, segurança do abastecimento e interna integração do mercado


3.6 QUESTÕES DO MERCADO


3.6.1 Capacidade de Credito

Como a PV não despachável, as fontes de energia renovável são flutuantes. Uma medida para quantificar a contribuição de tecnologias de energia renovável para a segurança do sistema de
fornecimento é o seu crédito de capacidade.
O conceito é usado em modelos de mercado de energia elétrica para garantir a segurança do
abastecimento em todos os momentos, especialmente quando os dias típicos são utilizados (em vez de 8760 perfis hora).

3.6.2 Paridade PV e Rede

- Paridade PV de redeé quando a tarifa de eletricidade residencial atinge paridade com os custos nivelados de geração PV eletricidade.
- lembrando que o PVI é isento de tarifas da rede, impostos, taxas e outros suplementos.
- Assim, as famílias podem reduzir os seus custos anuais de eletricidade, mas é ineficiente de o ponto de vista total do sistema.

CAP 4- METODOS APLICADOS

4.1 PAPEL DA MODELAGEM

A modelagem do sistema é importante para a analise do sistema, o Software DIgSILENT PowerFactory, é flexível o suficiente para modelar tudo, desde as características das próprias células fotovoltaicas até a rede elétrica europeu, abrangendo continente.

4.2 MODELO DE TRANSMISSÃO EM REDE EUROPEIA

Desde 2008 Energynautics tem vindo a desenvolver o seu próprio modelo da rede de transmissão europeia. Modelo desta rede Energynautics consiste de mais de 200 nos, representando centros de produção e carga na Europa, juntamente com algumas linhas 450 de alta tensão de corrente alternada (HVAC) de transmissão (a partir de 220 kV até 380kV) e toda a alta tensão de corrente contínua (HVDC) linhas dentro da zona de REORT-E.
O modelo, construído em DIgSILENT PowerFactory, é uma versão agregada da rede de transmissão real, o que significa que ele tem detalhes suficientes para modelar os principais corredores de energia dentro de cada país e entre eles.

4.2.1 Modelo europeu e Transição de um DC a um fluxo de carga AC

Foi atualizado para representar fielmente todas as linhas de transmissão em serviço no
sistema de transmissão Europeia para o exercício de 2011.
Além disso, os países bálticos da Estónia, Letónia e Lituânia foram adicionados ao modelo de rede, uma vez que as suas transações de energia com a Finlândia e Suécia através de linhas HVDC e através de uma linha planejada com a Polônia ter uma influência significativa sobre o sistema de poder europeu.
Após uma série de testes e simulações, foi determinado que o Gerador de estática em DIgSILENT PowerFactory melhor modelou o comportamento de um HVDC estação conversora.
Para o projeto PV Smooth o modelo foi melhorado para ser capaz de lidar com fluxos de carga AC, bem como, para que pudéssemos analisar o comportamento mais detalhada do sistema de energia, incluindo os fluxos de potência reativa, os problemas de estabilidade que surgem em redes AC e perdas de energia no sistema.

4.2.2 Colocação e dimensionamento de HVDC Lines dentro de AC Networks

Uma solução é a construção de uma rede HVDC de longa distância para operar em paralelo com a rede AVAC no continente. HVDC tem várias vantagens sobre HVAC:

• menores perdas em longas distâncias;
• transmissão de energia mais elevado para a mesma altura do mastro alto e distância ao solo;
• Não há necessidade de compensação da potência reativa ao longo da linha;
• Pode, portanto, ser usado por longos períodos subterrâneos ou submarinos;
• Ele pode ser controlado para transferências de ponto-a-ponto.

Para modelar esta rede HVDC e incorporá-lo com o modelo de mercado baseado em região da UOC podemos dividir esta rede em duas partes:
• A grade de sobreposição conectando os principais centros de carga em cada uma das regiões de mercado. Controle do tamanho e operação dessa rede de sobreposição foi dado ao algoritmo de otimização.
• linhas HVDC internos dentro de cada região do mercado, responsável pela transferência do poder dos centros de geração de energia renovável (como costas para a energia eólica offshore) para o principal centro de carga na região.

4.2.3 Operação de HVDC Lines em AC Networks

Desta forma, a rede de sobreposição permite transações DC entre as regiões de mercado para o algoritmo de otimização de custos, enquanto os fluxos nas linhas HVDC internos pode ser calculada
da mesma maneira como aqueles na rede AC, através do Fator de Transferência de distribuição de força (PTDF). Porque tanto a linha HVDC e sua linha de CA associada atingir os seus limites térmicos, ao mesmo tempo, este previne a capacidade de uma sendo um ponto de estrangulamento para o outro.

4.2.4 Validação do Modelo de Rede de Transmissão

A Energynautics, tomou os dados publicamente-disponíveis no site da ENTSO-E, e foi feita a comparação resultante entre os países em modelos com os de REORT-E.
Um roteiro foi desenvolvido em PowerFactory para variar os comprimentos das linhas e as chaves de distribuição dentro do âmbito da sua precisão conhecida para melhorar a concordância dos fluxos através das quatro instantâneos que representam as quatro estações do ano.

 Mais melhorias para o modelo provavelmente seria irrealista, uma vez que o modelo é uma
representação agregada da rede de transmissão real. Desta forma, fomos capazes de garantir que o modelo é confiável para representar o estado da rede em 2011.

Para a representação 2020 da rede, tomamos o modelo 2011 e estendeu-base em Plano de Desenvolvimento Network da ENTSO-E [57] a partir de 2012.

4.3 ELETRICIDADE MODELO DE MERCADO

Como objectivo, o modelo determina o custo-eficiente de investimentos e estratégia de expedição para atender a demanda de eletricidade dos países individuais em passos de tempo de duração
definida pelo usuário a partir de 2011 até 2050.

O modelo agora engloba as seguintes tecnologias de energia renovável:
• sistemas fotovoltaicos (roof- e montados no solo),
• onshore e eólica offshore turbinas,
• centrais de biomassa (sólidos e gás),
• plantas de cogeração de energia de biomassa (sólidos e gás),
• usinas de energia geotérmica,
• usinas hidrelétricas (armazenamento e run-of-river) e
• centrais térmicas solares (CSP) equipado com unidades de armazenagem térmica.

4.3.1 Modelo nucleo

Os custos totais do sistema são definidas por custos de investimento, operação de custos fixos e manutenção (FOM), custos variáveis de produção e custos devido a rampa usinas térmicas.
 Os custos de investimento ocorrer para novos investimentos em unidades de geração são
anualizada com uma taxa de juros de 5% para o tempo de depreciação.
Os custos FOM representam custos com pessoal, despesas com seguros, taxas e custos de manutenção.
Para usinas CCS, os custos FOM incluir custos de CO2- armazenamento e transporte.
Os custos variáveis são determinados pelos preços dos combustíveis, a eficiência líquida e a geração total de cada tecnologia.

4.3.2 Hipóteses do cenãrio

Os valores calculado para o Modelo nucleo leva em consideração um grande número de fontes foram mobilizados para criar um adequado conjunto de pressupostos, por exemplo, com relação ao nível de demanda de eletricidade ou os custos de investimento das diversas tecnologias que podem ser implementados.

4.3.3 Dias tipícos

Na abordagem de modelagem desenvolvido neste estudo, estas quantidades são representadas em dias típicos.

Dias típicos compreendem os seguintes parâmetros:

• o perfil da demanda de eletricidade por hora por cada país, dependendo do dia da semana e da época do ano com base em dados de carga horária históricos, e

• a velocidade horária vento e perfil radiação solar por sub-região, dependendo do nível de velocidade do vento e da época do ano com base na velocidade histórica horária vento e dados de radiação solar.

No caso de sistemas fotovoltaicos, perfis de radiação por hora solares derivados para os dias típicos são transformadas em perfis de alimentação em energia eléctrica por hora através de dois passos. 

 Em segundo lugar, o modelo de mercado é alargado para incluir a rede de transmissão de uma forma sofisticada, permitindo, assim, para optimizar as infra-estruturas de geração de energia e de transmissão em conjunto por meio de uma abordagem iterativa com base em factores de distribuição de transferência de energia (PTDFs). 

A última aplicação liga diretamente o modelo de mercado a um modelo físico da rede de transmissão de energia europeu baseado em uma interface bem definida.

4.4 ACOPLAMENTO DO MERCADO A MODELOS DE REDES

metodologia que permite optimizar as infra-estruturas de geração de energia e de transmissão em conjunto por meio de uma abordagem iterativa com base em fatores de distribuição de transferência de energia (PTDFs). 

O método é introduzido e demonstrado em um modelo de três nó simplificado em [App04]. 

4.4.1 Especificação modelo de mercado para acoplamento Modelo

Com relação à resolução temporal, o modelo abrange oito dias típicos com quatro fatias de tempo cada. 

4.4.2 Especificação modelo de rede para acoplamento Modelo

Os factores de transferência de energia de distribuição (PTDFs) proporcionar a relação linearizado entre os saldos de energia em cada nó no modelo de rede e os fluxos que resultam em cada uma das linhas de transmissão.

4.4.2 Teste de robustez - Eventos externos

Eventos como velocidade do vento pobre e grande nuvem reduzida insolação. Todo o sistema foi então executado através de uma rotina de otimização linear, utilizando fluxo de carga DC, para ver se toda a carga poderia ser coberto sob essas circunstâncias extremas. todas as linhas estavam dentro de seus limites térmicos.

4.4.3 Teste de robustez - Verificação AC

Modelo de rede Energynautics 

Todas as situações de despacho da otimização planeamento europeu a longo prazo

respeitando n-1 critérios de segurança,

• Para uma linha com apenas reatância série e tensão - carga DC

• fluxos de potência reativa nem sempre pode ser ignorado. 

• Perdas, quadrática com a corrente são negligenciados.

• Como consequência de todos estes efeitos, os fluxos de energia em geral, incluindo os fluxos de potência ativa, pode ser um pouco distorcida, particularmente em redes em malha.

4.5 MODELOS DE PV, ARMAZENAMENTO E UM PRÉDIO DE SISTEMA DE DISTRIBUIÇÃO

- um modelo de sistema fotovoltaico

-  um modelo de uma unidade de armazenamento elétrico 

- um modelo de um pequeno prédio de escritórios. 

Os modelos são desenvolvidos para ser capaz de simular o aumento dos efeitos de produção de PV em variações de tensão em uma rede de distribuição. 

4.5.1 PV Modelos para o sistema de Distribuição

Para estudar o impacto do PV na distribuição dois modelos de simulação PV foram desenvolvidos:  a DTU e modelos KTH. 

Os modelos de sistemas fotovoltaicos, incluindo painéis fotovoltaicos e inversores, foram desenvolvidos e implementados em MATLAB / Simulink e DIgSILENT PowerFactory.

4.5.1.1 Modelos PV agregadas

É um aspecto importante para as questões de simulação e controle.

São vários sistemas que estão ligadas por meio de transformadores para o ponto de acoplamento comum (PCC) para as redes de média tensão ou de alta tensão. 

Em vez de controle local de tensão, sistemas fotovoltaicos pode ser equipado com um regulador de tensão para controlar a tensão no PCC. 

4.5.1.2 Controle de tensão na rede de distribuição

Métodos de controle da tensão de base, utilizando a energia reativa, são mais atraentes na regulação de tensão através de sistemas fotovoltaicos em grades LV como o risco de interações negativas é baixo. 

Dois métodos de coordenação utilizados para o controlo da tensão utilizando a energia reativa são desenvolvidos. 

- O controlo de inclinação pode depender da tensão - Q (V) inclinar tensão base (VLM). 

potência activa injectada - Q (P) poder ativa dependente (APD). 

O uso de armazenamento de energia ou deslocamento da carga pode apoiar a regulação de tensão. Métodos são necessários para utilizar o armazenamento de energia ou fazer a carga mudando de uma forma eficiente, tanto do ponto de vista da eficácia do método e do ponto de vista econômico.

4.5.1.2 Validação dos modelos PV

O modelo desenvolvido pela DTU é validado contra medições reais e o modelo desenvolvido por KTH é validado  contra simulações com um modelo detalhado em PSCAD.

4.5.2 Modelo de uma unidade de armazenamento para o Sistema de distribuição

Baterias Vanadium Redox (VRB) têm muitas vantagens em comparação com outras tecnologias de armazenamento.

Estes incluem uma elevada eficiência de armazenamento, baixo custo de manutenção e ciclo de vida longo.

A pilha pode funcionar em dois modos: 

Modo de PQ (onde a energia da bateria são definidas) 

Modo Uf  ( a energia é variado,  controle de voltagem e frequência)

4.5.3 Modelo de um edifício de escritórios

Um escritório de 4 salas com temperatura controlada (aquecedor).

Para validar o modelo do edifício de escritórios. O consumo de energia simulada e temperatura interior são então comparados com os valores medidos para o edifício de escritórios SYSLAB's para validar o modelo.

4.5.4 Modelo da Rede de Distribuição

Modelos padrão para steady-state e simulações EMT implementadas em PowerFactory são usados.

Os resultados demonstraram um bom alinhamento entre as simulações, utilizando o cálculo de fluxo de energia, e as medições.

4.6 MÉTODOS UTILIZADO PARA A MODELAGEM DE DISTORÇÃO HARMÔNICA

Estudos de interação de harmônicas podem ser feito no domínio do tempo, no domínio da frequência, ou cálculos como híbridos.

Uma restrição de cálculos no domínio do tempo é que eles são difíceis de fazer para sistemas com

um grande número de unidades diferentes. 

Uma série de ferramentas de software usar este método para análise harmônica do sistema.

4.7 MÉTODOS UTILIZADO PARA ESTUDOS DE TENSÃO DIP

Para os estudos de queda de tensão, foi desenvolvido um modelo dinâmico Matlab / Simulink de um inversor. Uma vez que diferentes fabricantes têm diferentes algoritmos, um controle “idealista” de poder foi usada no modelo, que permite que o inversor reage no primeiro período da queda de tensão.

CAP 5- PRINCIPAIS RESULTADOS

5.1 VARIAÇÕES DE PV

5.1.1 EFEITOS DE SUAVIZAÇÃO

5.1.1.1  Em grande escala

Fatores que influenciam a variabilidade além das características vegetais incluem o tamanho

da nuvem, a velocidade e direção de movimento, a opacidade e a altura em relação ao sistema fotovoltaico, entre outros

Estas considerações de uma única planta pode ser facilmente transferidos para um centro urbano ou de uma área rural onde um número de sistemas fotovoltaicos estão dispersos através de um grande território. Quanto maior o território, menores serão as variações vistas pelo operador do sistema e os requisitos menos de balanceamento são necessários, o que reduziria significativamente o custo de equilíbrio. 

5.1.1.1  Em pequena escala

No Campus DTU Riso, três sistemas fotovoltaicos estão ligados à instalação de sistema de energia experimental, Syslab. As três plantas são distribuídos aproximadamente 250 a 450 metros de distância e variam de 7 a 10 kW na capacidade de produção. As três plantas também diferem no painel de inclinação e a orientação com o local .

Para efeitos de comparação, os níveis de potência a partir de cada planta PV e para o valor agregado são apresentados como potência normalizada em relação à potência máxima durante o dia. As três plantas têm diferentes perfis durante o dia devido às suas diferentes orientações e ângulos.

A distribuição de sistemas fotovoltaicos ao longo de apenas 1 km terá um impacto significativo sobre as flutuações de energia rápidas da geração de energia agregada das plantas causadas por nuvens passageiras. 

5.1.2 RAMPA RATES

Com o aumento da area da geração a redução se torna menor e o tempo para reduzir maior.

5.2 PAPEL DA ELETRICIDADE NA REDE ARMAZENAMENTO E DSM

5.2.1 POTENCIAIS CAES

Armazenamento de energia de ar (CAES). 

Durante os períodos de pico de procura o ar comprimido é libertado através de uma turbina para gerar eletricidade. O armazenamento de ar comprimido pode ter lugar em formações rochosas porosas ou em grandes espaços vazios, tais como cavidades salinas ou ex trabalhos de minas.

5.2.2 IMPACTO DA REDE E ARMAZENAMENTO COM PV

Energynautics realizou um estudo de simulação que visa quantificar quanto PV é realmente viável no sistema a nível europeu a partir da perspectiva de permitir alta utilização deste recurso, isto é, certificando-se de que só há redução mínima de PV. 

Isso depende da quantidade de energia gerada por PV é consumido localmente nos nós individuais da rede de transmissão, quanto do excesso de energia pode ser transportado para outros locais e quanta energia pode ser armazenada desde capacidades de armazenamento estão no lugar. 

Simultaneamente, mais capacidade PV pode levar a grandes quantidades de energia PV excesso de locais em determinados locais no sistema em certas horas em relação à demanda nos mesmos nós. As limitações para a troca de energia entre as regiões distantes por meio do sistema de transmissão

5.2.2 IMPACTO DA REDE E ARMAZENAMENTO COM PV

5.2.2.1 Metodologia

A fotovoltaica instalada resultando na Europa totaliza 770 GWp.

A capacidade de base de casos PV de 770 GWp foi ampliada em várias etapas

e cada vez cálculos de um ano completo usando demanda e de irradiação de dados para a Europa na hora resolução foram realizados, o que permitiu a quantificação da energia PV perdido devido à falta de demanda, transmissão capacidade e armazenamento.

Cenário 1 nenhum armazenamento foi considerado. 

Cenário 2 armazenar energia PV foi permitido em usinas de bombeado hidrelétricas

Último, cenário 3 armazenamento incorporado que foi dimensionado e colocado de acordo com a restrição de PV como visto no ano calculado no cenário 1 

5.2.2.1 Resultados

Em Cenário 1 a indisponibilidade de armazenamento significa que a única maneira de evitar uma redução de PV que está presente em abundância em um nó é a transportá-la para longe por meio da rede de transmissão. 

Neste caso PV é capaz de fornecer cerca de 17% da carga anual. À medida que as PV capacidade instalada aumenta em 50% a 1,155 GWp,

Se a capacidade instalada de sistemas fotovoltaicos conectados à rede deve atingir 1.925 GWp sem aplicação da rede apropriada ou opções de armazenamento, 25% da energia PV disponíveis seria desperdiçado. 

Em cenário 2 com 290 GWh disponível capacidade de armazenamento dos dois fatores que influenciam a quantidade de energia PV reduzido, ou seja, as restrições de grade e excesso de energia em relação à demanda no sistema em certas horas, são simultaneamente fixo. 

O armazenamento introduzido no sistema é agora capaz de reduzir a quantidade de energia PV reduzido para cerca de 23% em comparação com 25% visto no cenário 1 para 1925 GWp de PV instalada. 

Em Cenário 3 ( 1.540 GWh) é capaz de capturar quase completa excesso de energia PV até

1155 GWp de PV instalado. Ele também contribui significativamente para a redução da energia PV reduzida causada por restrições da rede. Com 1.540 GWp PV no sistema do contingenciamento totaliza a 5%. No final, com 1.925 GWp presente no sistema a parte do PV no fornecimento de carga acrescenta-se a cerca de 38% sob uma redução de cerca de 12%, o que é principalmente atribuída a restrições de rede.

Resumindo, os resultados mostram que mesmo cerca de 2000 GWp do PV no sistema poderia ser viável desde que a rede seja expandida em locais apropriados, de modo a permitir o transporte de energia PV abundante. Um grande efeito de amortecimento é proporcionado por armazenamento a curto prazo colocados estrategicamente com uma capacidade total de 1540 em toda a Europa GWh. Assim, pode-se concluir que:

cerca de 30 a 40% do Cenário 1: nenhum armazenamento

Cenário 2: 290 GWh de armazenamento

Cenário 3: 1540 GWh de armazenamento

5.3 REDES DE DISTRIBUIÇÃO

5.3.1 As variações de tensão nas redes de distribuição devido ao PV

Dois métodos:

- Relativa matriz de Ganho (RGA)

    como a razão do ganho de circuito aberto entre duas variáveis de entrada e saída.

(alta R / X  - controle descentralizado)

- Número da condição (CN). 

  ajuste específicos através da regulação da potência reativa ou potência ativa não é viável da rede

  (interações fortes à topologia do sistema, a relação de / X R em que uma proporção mais alta diminui a influência da potência reativa da tensão)

5.3.2 Voltage Control Coordenada com PV

Para um controlo adequado da tensão, a coordenação é necessária no projeto de controle. 

A potência reativa coordenada os métodos de controle são baseados nas medições de potência ativa e tensão locais. 

5.3.2.1 Controle de tensao por potencia reativa

Dois métodos utilizam a matriz de sensibilidade da tensão e são baseadas em coordenação. 

• Força ativa Dependente (APD) e

• Droop tensão com base (VLM).

Em APD, a regulação da tensão com o método proposto Q (P) .

 -  efetuada em uma ou mais barras finais  do alimentador ou no perfil do alimentador.

- controla todas as PV do alimentador

- mede o ponto de consumo e a demanda solicitada pelo nó

- libera potencia P conforme necessidade de potencia Q.

Em outras palavras, a potência reativa de cada sistema fotovoltaico é localmente regulada.

Em DBV, a regulação da tensão com o método de controle coordenado Q (V) 

- efetuado na barra de conexão da geração PV

- controla cada PV individualmente

- no inicio do alimentador a elevação da tensão não é tao perceptível como no final.

Coordenação de parâmetros droop entre vários sistemas fotovoltaicos é um desafio com o fundamento de que os sistemas fotovoltaicos.  

A conclusão do estudo é que, embora os modos de operação de energia reativos de sistemas fotovoltaicos individuais em um modelo não-agregada pode ser diferente (capacitivo ou indutivo), o desempenho do regulador de tensão em ambos os modelos agregados ou não agregados seria semelhante 

5.3.2.2 Controle de tensão por potencia ativa

O consumo pode ser influenciado por:

• Mudando de carga ou

• Usando armazenamento de energia.

-  é controlada usando transferência de carga por consumir o produção de energia PV.

- gerenciamento da energia

- menores perdas na rede

- pode aumentar a cota de PV

Controlador de tensão validado por medições

Conforme a carga aumenta os controladores permitem maior geração de PV

Controle de tensão através de Armazenamento de Energia

Carga menor, a geração de PV é armazenada

Carga aumento, caso ultrapasse a geração de PV, utiliza-se a energia armazenada.

5.3.3 QUALIDADE DE ENERGIA

5.3.3.1 Modelo harmônico de um inversor fotovoltaico

O experimento feito em 5 inversores comerciais PV: 

três inversores de fase única, um roteador de alimentação monofásica, e um inversor trifásico. 

As impedâncias de derivação equivalentes dos inversores testados são mostrados na Figura 5.14. A capacitância equivalente calculada variou entre 3,7 e 18,5? F.

roteador de energia monofásica

Devido a um filtro harmônico diferente, o roteador de energia mostraram uma ressonância paralelo em torno do 33 rd harmônico. O modelo de impedância equivalente do router potência é apresentado na Figura 5.15.

O circuito equivalente equipado do inversor trifásico é

modelo de fonte de corrente harmônica

- As correntes harmônicas geradas por um inversor fotovoltaico dependem de muitos factores tais como os níveis de irradiação, a temperatura, a potência de saída do inversor, etc.

- A partir da medição, é visto que as frequências com corrente harmônica significativa são o 3º, 5º, 7º e 9º harmônica.

modelo harmônica generalizada de inversores fotovoltaicos

- semelhança entre impedâncias de saída dos inversores monofásicos

- Os valores típicos do condensador de comerciais 1-3 inversores kW PV saída está entre 0,5-10 uF, 

- Os valores dos parâmetros será certamente diferente de um inversor para o próximo e os valores dos parâmetros exatos só pode ser obtido a partir da medição. 

- Tabela no artigo mostra os valores de impedâncias para vários inversores

Agregação de inversores fotovoltaicos

Quando vários inversores estão operando em conjunto, a soma de suas correntes harmônicas é menor do que a soma aritmética de suas correntes devido à diversidade ângulo de fase de unidades individuais. 

O valor da corrente resumido é dependente de vários factores: as potências de unidades individuais de saída, a ligação impedância das unidades, e as tensões harmônicas fundo provenientes da rede a montante.

- o nível de perturbação são avaliadas como um nível de probabilidade de o nível de probabilidade de 95% que é o valor não for excedido por 95% do tempo. 

Os valores dos coeficientes da soma de ordens diferentes são dadas na Tabela 5.4. do documento original

Os valores apresentados são na sua maioria menor do que o sugerido pelas normas técnicas. Isto significa que a aplicação de normas técnicas levaria a subestimação das correntes harmônicas neste caso.

5.3.3.2 Efeito de cargas jumping

- um grande numero de cargas normalmente é modelado agrupado em um ponto ou varios pontos o que causa incerteza em alguns calculos

a solução talvesz seja atenuar esse fenomeno, com varioas cargas aglomeradas no barramento, adicionando indutância extra no circuito, resultando em menor frequência ressonante. No caso em que nada é aglomeradas, a maioria das capacitâncias são ligados através de uma indutância inferior, resultando numa alteração de frequência mais pequena do primeiro caso (menos de 20 Hz).

Em conclusão, a formação de grupos que toda a carga conduz a um aumento da frequência de ressonância, mas com erros aceitáveis

5.3.3.3 Efeito de capacitância de saída dos inversores

- Capacitâncias de mudar a frequência ressonante directamente: uma mudança de capacitância  muda a frequência de ressonância de 1 / √ΔC.

5.3.4 QUEDA DE TENSÃO

5.3.4.1 Queda de tensão monofásica

A tensão e corrente durante um mergulho de fase única com uma tensão restante de 0,7 pu são mostrados na Figura 5.25.

O apoio da tensão disponível fornecida pelos conversores para diferentes tensões remanescentes com quedas de tensão de fase única são dados na Tabela 5.5.

5.3.4.2 Queda de tensão de duas fases

O apoio da tensão disponível fornecida pelos conversores para diferentes tensões remanescentes sob quedas de tensão de duas fases são dados na Tabela 5.6.

5.3.4.3 Queda de tensão trifasica

O apoio da tensão disponível fornecida pelos conversores para diferentes tensões remanescentes sob quedas de tensão

trifásicos são dados na Tabela 5.7.

5.3.4.4 Resumo de curto circuito

- A principal razão para a baixa influência é a limitação de corrente de inversores. 

- Um dos requisitos de segurança de inversores fotovoltaicos diz respeito à proteção anti-ilhamento.

5.4 PLANEJAMENTO DO SISTEMA

5.4.1 Extensão Power System

• Extensão da rede de ajuda otimizado para custar-otimamente implantar energia a partir de energias renováveis,

• Requisito mínimo de rede para chegar a 90% de CO 2 meta de redução 

Cenário 1 : Extensões de rede 

Cenário 2:  determina o desenvolvimento ótimo de rentabilidade do sistema

Examina se praticamente nenhuma extensão para a rede de energia é possível.

Resultados do Cenário 1 a Europa atinge a meta até 2050 e supera, porem modelo econômico ainda deve ser melhor desenvolvido. Com armazenamento

Resultados do Cenário 2 a Europa faltará reforços na rede e modelo econômico ainda deve ser melhor desenvolvido. Sem armazenamento

  

O cenário 2 vai exigir reforços de rede para validar todas as PV instaladas.  falta também o armazenamento de energia.

.

Para obter melhores estabilidade do ângulo de tensão foram feitas compensações reativas e de queda de tensao na analise AC.

5.5 QUESTÕES DE MERCADO

- capacidade de crédito

representa a contribuição da unidade para a adequação da produção de um sistema de alimentação.

- A geração renovável deve substituir a convencional sem comprometer a confiabilidade do fornecimento

- A geração solar ainda tem as questões estocáticas para serem consideradas no seu valor de mercado.

- O INEF Económica-eficiência da rede de paridades

 - Os investimentos privados em sistemas fotovoltaicos passa a valer a pena comparados as taxas e valor de energia consumida.

CAP 6- PRINCIPAIS RESULTADOS

6.1 CONCLUSÕES

6.1.1 TRANSMISSÃO

- PV em alta penetração na transmissão

- Preocupação com a forma determinística e estocástica . 

- Forma estocástica pode ser diminuída quando se trata de varias gerações PV espalhadas fisicamente

- Aproximadamente 30-40% do consumo anual europeu pode ser viabilizar coberto por PV, sem fazer quaisquer reforço.

- longo prazo para tecnologias renováveis, convencional, armazenamento e transmissão, incluindo a operação de linhas HVDC em redes AC 

Considerando que a partir de um ponto doméstico de vista, as capacidades de PV e de armazenamento ideais aumentar com a número de moradores do domicílio - o que lhes permite cobrir, em média, 72% de sua demanda anual de eletricidade pela eletricidade PV auto-produzido em 2030 .

Um requisito importante está relacionado com a questão 50,2 Hz, o valor da frequência que, se alcançado, poderia causar vários gigawatts de PV para se desconectar da rede e, assim, pôr em risco a segurança do abastecimento. O problema tem sido reconhecido e há atividades atualmente reconversão no lugar.

6.1.2 DISTRIBUIÇÃO

- controle de tensão

- equipamentos de carga

- qualidade de energia

- armazenamento de energia (método de transferência de carga) 

- emissão de inversores e a influência de sua impedância nas ressonâncias no sistema. 

-  A agregação de correntes harmônicas de vários inversores

-  inversores durante curto-circuitos na rede.

6.2 TRABALHOS FUTUROS

6.2.1 ACOPLA,MENTO DO MODELO DE TRANSMISSÃO E DO MODELO ECONOMICO DE ESTUDOS DO PLANEJAMENTO DO SISTEMA

- Modelo físico da transmissão com o modelo de mercado econômico 

• A optimização da capacidade da central eléctrica pode ser adicionado.

•  levar em conta as perdas térmicas.

• considerar eventos climáticos mais extremos.

• regime de fixação de preços nodal e modelo de mercado.

• evitar problemas de tensão ângulo de instabilidade

• altos custos de armazenamento.

• capacidade de PV, o cálculo pode ser construído em métodos baseados em confiabilidade

6.2.2 CONTROLE DE TENSÃO NAS REDES DE DISTRIBUIÇÃO

- algoritmos de controle Syslab. 

6.2.3 QUALIDADE DE ENERGIA EM REDES DE DISTRIBUIÇÃO

- tendência de novos modelos de inversores fotovoltaicos  (5% THD atual). 

- impedância equivalente de inversores precisa ser levado em conta

- inversores comportamento capacitivo, Diminuição da frequência de ressonância 

- oferece suporte muito pouco tensão se a corrente é limitada em valor nominal. 

6.2.4 INERCIA RELACIONADA COM ELEVADA % DE PV

-  Limites são impostos pela quantidade necessária de reservas fiação, o mínimo permitido limites de operação das usinas térmicas

- capacidades de rampa. 

- inércia e de curto-circuito correntes sintéticas

- contribuir para a estabilidade de frequência e de tensão

- ajudar a operar os dispositivos de proteção.

6.2.5 CODIGO 50,2Hz

- um grande número de conversores conectados em baixa tensão está configurado para desligar da rede, se a frequência da rede for superior a 50,2 Hz. 

Isto se aplica particularmente aos países com níveis de penetração instantâneos elevados

(estabilidade de frequencia)

6.2.6 OPERACIONAIS

-  'ilhamento não intencional'. 

- limite máxima capacidade PV instalado em relação à carga no alimentador. 

- O problema ilhamento não intencional pode precisar outras consideração.