CIGRE 719-Power Quality and EMC Issues With Future Eletricity Networks

Problemas de PQ e EMC em futuras redes inteligentes. 

1. Impacto de novos dispositivos conectados a Grid, seja geração ou carga. Em especial os equipamentos de eletrônica de potência e suas emissões.

 Pontos Relevantes

Classificacao de conversores:
    a - Comutados(SCR) ou auto-comutados (GTO, IGBT, IGCT)

    b - Relação entre a entrada e a saída (AC-DC, DC-AC, AC-AC, DC-DC)

DC-AC Converter. Este tipo de conversor, também descrito como “Inverter”, é um circuito que converte uma fonte DC em tensão AC senoidal. Este conversor pode usar um retificador SCR operando no modo de inversão ou um VSC.
Os exemplos de SCR é normalmente encontrado na unidade de motor síncrono de velocidade variável (VSD) ou gerador de turbina eólica, frequentemente denominado como naturalmente comutação inversor de fonte de corrente (CSI) ou inversor de carga comutado (LCI).
Exemplos do VSC incluem o conversor de fonte de tensão (VSI), tais como a interface de fotovoltaica (PV) de fazendas solares.
A VSC, em contraste com a CSC, não necessita de tensões AC para as suas operações de comutação.

Controle dos conversores: (3 camadas de controle)
    - Geração de comutação padrão (conversores de fonte de tensão):
         a - Pulso de modulação de largura (PWM).
                  a1-   Utiliza uma frequência de comutação constante (PWM contínua ou descontínua)
                  a2 - Controle de histerese de corrente instantânea.
         b - De entrada/saída de corrente/tensão de controle.
         c - De controle de potência de entrada/saída, pode ser decomposta em energia ativa e reativa.
         d -Existem outras estruturas de controle não lineares.

a1 - Pulso de modulação de largura (PWM) com frequência de comutação constante, o que resulta em banda lateral e/ou de comutação de frequências harmónicas de acordo com as estratégias de modulação.
a2 -Pulso de modulação de largura (PWM) com controle de histerese de corrente instantânea em ciclo fechado, o que resulta numa frequência de comutação variável e, portanto, uma distorção harmónica de banda larga na saída do conversor.
b- De entrada/saída de corrente/tensão de controle, que é geralmente utilizado para executar controle de referências e rejeição de perturbações. No entanto, em adição a estas duas necessidades básicas de controle, esta segunda camada de controle pode também ser usado para executar um número de serviços auxiliares, tais como a filtragem activa de harmónicas de ordem baixa dentro da largura de banda de controle, da tensão de desequilíbrio/compensação da corrente ligado conversores, e amortecimento ativo de ressonâncias do sistema, etc.

c- De controle de potência de entrada/saída, que pode ainda ser decomposta em energia ativa e reativa no caso de conversores conectados à rede. Além disso, o ciclo de sincronização para conversores gridconnected e o controle binário de accionamentos de velocidade ajustável, também pode ser implementado nesta camada de controle. A largura de banda de controle esta camada é geralmente limitado à dinâmica das duas primeiras camadas de controle, e, portanto, pode resultar em subharmonico (abaixo da frequência fundamental). No entanto, há também uma outra alternativa de controle de potência, o controle direto de energia/torque, que semelhante ao controle de histerese, permite uma rápida resposta dinâmica mas também produz harmônicas de banda larga.

2- Overview de Smart Grid e PQ.

Regulador Sueco Energia - "O conjunto de regras de tecnologia, de regulação e de mercado que são necessários para abordar, de uma forma rentável, os desafios em que a rede elétrica está exposta".
IEC - "Grid futura que é necessário para atingir de forma eficiente e as metas de energia da UE e alterações climáticas para o ano de 2020".
IEEE - " Smart Grid passou a descrever um sistema de energia elétrica de próxima geração que é caracterizada pelo aumento do uso de comunicações e tecnologia da informação na geração, distribuição e consumo de energia elétrica."

Novos desafios para a Smart Grid.
   - Painéis solares ligadas às redes de baixa tensão resultará em sobretensões
  - A comutação dos conversores da geração eólica emite sinais de alta frequência na rede;
  - Harmônicos são gerados pelos carregadores de veículos elétricos;
  - A partida repetida de bombas de calor pode resultar em cintilação de luz visível.

Indicadores de desempenho do smart grid
     - O preço para uso da rede (a tarifa de rede),
     - A confiabilidade,
     - A qualidade da energia.
Capacidade de Hospedagem
   Conectando mais geração do que a capacidade de hospedagem da grid, ela não será capaz de fornecer confiabilidade aceitável e qualidade de energia aos seus clientes. Isso vale para a forma clássica (existente) de planejamento e operação da rede de distribuição.
  A qualidade e confiabilidade de energia tornam-se importantes ao quantificar o desempenho da Smart grid.
   Harmônicos e Supraharmonicos  emitidos nas gerações renováveis devem ser levados em consideração nos SmartGrid futuros
  As variações rápidas de tensão podem ocorre devido as gerações PV devido a uma nuvem.

3- Mudanças na probabilidade de interferência eletromagnética dos equipamentos 

Uma variação rápida de tensão em uma Grid é um distúrbio, agora um motor disparar na velocidade de rotação é um funcionamento não esperado e caracteriza uma interferência no equipamento motor.

O objectivo das normas EMC é para assegurar uma elevada probabilidade de compatibilidade electromagnética, por conseguinte, uma baixa probabilidade de que qualquer interferência ocorra. Formulações semelhantes, a terminologia e objetivos finais estão presentes em outros padrões de
power quality.

 - Mudanças na produção: Alterações na produção, onde existe uma mudança de grandes unidades de produção convencionais para pequenas unidades conectadas a baixa voltagem (LV) e de média tensão MV) redes; a mudança para a energia renovável não despacháveis;e controle de máquinas síncronas com eletrônica de potencia.
 - Mudanças no consumo: substituição de tipos existentes de equipamentos com mais alternativas de eficiência energética; introdução de novos tipos de equipamentos; a proliferação de dispositivos pequenos como lampada LED e carregadores eletrônicos; E a mudança quase completa de interfaces
com eletrônica de potencia e cargas não lineares.
• Mudanças na rede: cabos subterrâneos; equipamentos eletrônicos; o aumento da utilização de PLC; mudanças na proteção e controle.

4- Problemas de PQ em micros Grids.

definição de um CIGRE:
“Microgrids são sistemas de distribuição de eletricidade que contêm cargas e recursos de energia distribuída (tais como geradores distribuídos, dispositivos de armazenamento, ou cargas controláveis) que podem ser operados de uma forma controlada e coordenada quer enquanto ligado à rede principal de energia ou enquanto ilhado.”

Os principais fenômenos PQ associados a microgrids são :
• Harmônicos, Inter-harmônicas e Supraharmonicos;
• variações de voltagem lenta;
• variações rápidas de tensão;
• Desbalanço de tensão;
• variações de frequência;
• componentes DC.

Perturbações PQ prováveis durante conexão e desconexão. Modo MGC para IM, e vice-versa:
1. O ângulo de fase salta na tensão de alimentação;
2. quedas de tensão ou elevação; Desconexão de cargas sensíveis.
3. variações de frequência; como consequência do desequilíbrio de carga / geração.

Recomendações
São necessários mais estudos sobre LFAC e DC micro-redes. Eles devem responder a perguntas como quais deles são mais fáceis de implementar, se eles podem de forma eficiente co-existir facilitar simbiose como casa inteligente DC dentro de uma cidade inteligente LFAC.


5- Controle de Volt-Var para sistemas de distribuicao e impactos no power quality.

O controle convencional de tensão nas redes de distribuição baseia-se:

• em carga comutadores automáticos (OLTC) de transformadores AT / MT;
• Sem carga ou em carga comutadores de derivação em reguladores de tensão MV / MV;
• Off-carga comutadores de derivação de MV / transformadores LV
• bancos de condensadores e reforçadores de tensão ao longo de alguns alimentadores MV e LV.

O controle de tensão ou de controlo volt-var (VVC) no futuro é esperado para ser significativamente diferente do que é hoje. Devido a grande previsão de energia solar na rede de distribuição.

Redes americanas de distribuição - pequenas, poucos clientes, quedas pequenas.
Redes europeias de ditribuição - grandes, 800KVA, varios clientes, quedas altas.

NOVA TECNOLOGIA
Tais sistemas de controlo são também referidos como “volt-Var Optimização”
armazenamento da bateria tem a vantagem de que ele pode controlar tanto a energia ativa e reativa. Para baixas  X / R, controlar a potência ativa é mais efetivo.

Serviços auxiliares
Algumas dessas unidades será capaz de fornecer rede e do sistema de serviços auxiliares, incluindo a contribuição para controle de tensão e de potência reativa. Mesmo que tais serviços auxiliares pode ser mais eficiente com ferramentas como SVCs ou STATCOMs, unidades de produção equipados com conversores já estão presentes no sistema, fazendo com que os custos marginais pequena ou mesmo zero.


6- Impacto na reconfiguração de alimentadores e problemas com PQ associados a redes com fluxos bi-direcionais.

- Reconfiguração alimentador automático é um recurso para melhor atendimento aos clientes depois de uma falha ou uma perturbação do sistema.
Utilizado para outras situações como balanceamento de carga, isolamento de carga etc.
- Estratégia avançada automação da distribuição (ADA), também chamado de estratégia de distribuição inteligente, de uma entidade de carga de servir.
Para alimentador de reconfiguração não seguir uma falha, os seguintes tipos serão considerados
- Alimentador de reconfiguração, como parte dos preparativos para a manutenção preventiva, na medida em que isso é feito automaticamente.
- Alimentador de reconfiguração para permitir a penetração no máximo de recursos de energia distribuída sem violar limites de tensão.
- A aplicação de tecnologias de ADA para melhorar índices de confiabilidade por reconfiguração alimentador automático também traz questões PQ adicionais. Parâmetros PQ de uma rede requer avaliação contínua, especialmente depois de reconfiguração após uma falha.

Qualidade de energia e confiabilidade ÍNDICES
1. tensão múltipla em períodos curtos ou longos de tempo,
2. desequilíbrio de corrente excessiva,
3. segundas harmônicas excessivas associadas com energização do transformador,
4. Flutuação de tensão constante estado resultante de operações de reconfiguração,
5. variação de frequência pequena duração devido à desconexão de grande quantidade de DER.

7- Gestao da demanda.

Redes inteligentes - gestão de demanda
• Melhorar a eficiência energética, substituindo tipos mais antigos, uso intenso de energia de cargas com os novos tipos de equipamentos modernos;
• Introdução de tarifas tempo de uso e incentivos baseados no preço;
• sistemas de gestão sofisticada e de controle de equilíbrio, implantados tanto em tempo real, ou dentro do período de tempo específico, como parte de suporte do sistema e serviços auxiliares, ou em coordenação com a operação dos recursos de energia distribuída, ou outras cargas.

Melhoria da eficiência energética de equipamentos modernos é muitas vezes possível graças a utilização de conversores eletrônicos de potência ativa.
Aumento de cargas não lineares - consequentemente aumento de distorção harmônica.

Utilização de medidores inteligentes e novas cargas vão interferir na EMI, novos estudos estão sendo realizados para verificar a interferência eletromagnética desses equipamentos.

8- Novas técnicas de medição (hardware e software) para os novos distúrbios PQ.

-  Para redes inteligentes a medição e monitorização dos parâmetros eléctricos são fundamentais.
Assim como a medição de tensão e corrente como também alguns parâmetros ambientais, tais como temperatura, umidade entre outros.

- Evolução contínua de tecnologias de hardware e software, vai evoluir para melhores cadeias de medição de desempenho, incluindo sensores inteligentes e Dispositivos Electrónicos IEDs, torna possível em smartgrid para realizar tensão permanente e medição de corrente ou monitoramento com um grau de precisão compatível com grau PQ.

As novas técnicas de medição dependem da complexidade dos fenômenos e sobre a configuração da rede inteligente.
• Localização do monitoramento PQ
• Hardware para o monitoramento PQ
• Transdutores / sensores
• IED em conformidade com as novas exigências
• Interface de comunicação
• Unidade de medida
• técnicas de medição
• índices
• unidade de avaliação (análise de dados medidos)


9- Novos metodos de mitigaçao de EMC nas futuras redes inteligente.

Três tipos diferentes de mitigação podem ser distinguidos, que são baseados em:
• Redução das emissões geradas por instalações do cliente
• Diminuindo a transferência na rede
• Melhorar a imunidade das instalações do cliente

harmônicos
Os métodos de mitigação de harmônicas:
• filtragem passiva
• filtragem ativa
• estratégias de conversores baseados

Tipo:

• E - Redução de Emissões

• T - Redução de Transferência

• I - Aumento da Imunidade

Aplicação:

• N - rede do lado

• I - Side Instalação

 Método:

• A - Equipamentos especiais

• W - sem equipamento adicional

nível de tensão:

• BT - Baixa Tensão

• MT - Média Tensão

• AT - Alta Tensão

• EHV - Extra Alta Tensão

Os seguintes fenômenos de qualidade de energia são considerados:

• Harmónicos (abaixo de 2 kHz)

• Inter-harmônicas (abaixo de 2 kHz)

• Supraharmonics (acima de 2 kHz)

• Desequilíbrio

• tremulação

• RMS tensão (magnitude tensão de alimentação)

• Dips

• (Curto) Interrupções

• comutação Entalhes

Areas potenciais para futuros estudos, pesquisas e trabalhos de campo relacionados a PQ de rede inteligentes:

• O uso de conversores do equipamento do usuário final, para introduzir amortecimento nas frequências harmônicas devem ser investigados;
• Estudos, incluindo a analise da fundamental para vários tipos de distúrbios que passaram a ser significativos na Grid com a utilização em larga escala de electrónica de potência. Tais como: 
• interharmônicas;
• componentes DC e subharmonics de baixa frequência ( “Quase-DC”); 
• componentes acima um ou dois kHz (“supraharmonics”).
• Mudança da frequência de ressonâncias para valores mais baixos, requer um novo olhar sobre estudos de propagação harmônicas e limites de qualidade de tensão;
• Pesquisas sobre a imunidade de equipamentos modernos com interfaces de electrónica de potência contra todos os tipos de distúrbios de tensão. Tais pesquisas e estudos deve resultar em recomendação para os fabricantes de equipamentos para evitar a falta de imunidade;
• Estudos sobre LFAC e DC para micro-redes. Responder a perguntas como:
• Quais deles são mais fáceis de implementar, se eles podem de forma eficiente co-existir;
• Analisar a interconexao de casas inteligente (DC) dentro de cidades inteligentes(LFAC).
• Estudos para quantificar o impacto adverso sobre PQ nos possiveis algoritmos de controle aplicados a microgrid;
• Realização de simulações e medições dos harmônicos para estudar os amortecimentos dos equipamentos ligados as redes de baixa e média tensão. Mais informações sobre o amortecimento são necessárias para estimar a amplificação dos harmônicos devido a ressonâncias e sobretensões devido a energização de capacitores.