Aplicação de métodos probabilísticos na estimação de distorção harmônica em sistemas de distribuição de energia elétrica

Abstract

Durante muito tempo, a avaliação da confiabilidade de sistemas elétricos na etapa de planejamento esteve focada na continuidade do serviço de fornecimento de eletricidade, estabelecendo métricas baseadas na frequência e na duração de interrupções sustentadas observadas nos sistemas de geração, transmissão e distribuição de energia elétrica. No entanto, diante da transição energética em curso, nos sistemas elétricos ao redor do mundo, novas formas de monetização do produto energia elétrica trazem uma preocupação crescente com a qualidade da forma de onda entregue ao consumidor, principalmente devido a proliferação de equipamentos sensíveis à variação dos sinais de tensão e corrente. Este contexto estabelece uma nova tendência para a avaliação da confiabilidade dos sistemas elétricos, a qual passa a incluir não somente a continuidade do fornecimento de eletricidade, mas também estabelece igual importância à qualidade da forma de onda das grandezas que são responsáveis pela formação do produto energia elétrica entregue ao consumidor final. A análise de qualidade de energia elétrica, geralmente, é efetuada por meio de medições eletrônicas, na fase de operação dos sistemas de energia. Entretanto, com o aumento do uso de cargas não lineares e fontes geradoras baseadas em inversores de potência, a propagação de harmônicos tem apresentado um crescimento significativo, provocando diferentes restrições operacionais em sistemas de geração, transmissão e distribuição. Neste contexto, este trabalho explora uma metodologia baseada na abordagem de um fluxo de potência harmônico integrada a fase de planejamento dos sistemas de distribuição. A metodologia proposta é aplicada a três condições distintas em dois sistemas testes: primeiramente, utiliza-se um sistema pequeno e previsível de 5 barras, com o intuito de validar a metodologia e o protótipo computacional; em um segundo nível, utiliza-se o sistema IEEE 13 nós com uma única fonte harmônica caracterizando o sistema frente a perturbações harmônicas e, em um terceiro nível, utiliza-se o sistema IEEE 13 nós considerando múltiplas fontes harmônicas, para avaliar a interação entre as fontes harmônicas, como o somatório ou cancelamento das componentes. Como resultado são obtidas estimativas de distorção harmônica para orientação de ações de planejadores dos sistemas de distribuição, fornecendo uma análise de sensibilidade do sistema em relação às cargas não lineares.

Abstract: For several years, power systems reliability evaluation has been focusing on continuity of supply, using metrics based on the frequency and duration of sustained interruptions observed on generation, transmission, and distribution systems. However, given the ongoing energy transition in power systems around the world, new ways of monetizing electrical energy as a product have brought a growing concern with the quality of the waveform delivered to the final customer, mainly due to the proliferation of equipment sensitive to voltage and current variation signals. This context has established a new trend for power systems reliability evaluation, which includes not only service measures about the continuity of the electricity supply, but also have established equal importance to the quality of the waveform of the quantities that are responsible for the formation of the energy product delivered to the final consumer. The analysis of power quality is generally carried out through electronic measurements, in the operation phase of power systems. However, with the increasing use of non-linear loads and inverter-based renewable generators, the propagation of harmonics has shown significant growth, causing different operational restrictions in the generation, transmission, and distribution systems. In this context, this work explores a methodology based on the approach of a harmonic power flow integrated into the planning of distribution systems. The proposed methodology is applied to three distinct conditions in two test systems: first, a small and controllable 5-bus system is used, to validate the methodology and the computational prototype; on a second level, the IEEE 13 nodes system is used with a single harmonic source characterizing the system against harmonic disturbances and, on a third level, the IEEE 13 nodes system is used considering multiple harmonic sources, to evaluate the interaction between harmonic sources, such as summation or cancellation of components. As a result, harmonic distortion estimates are obtained to guide the actions of distribution system planners, providing a sensitivity analysis of the system about non-linear loads.