Impacto de ações independentes dos consumidores com autogeração fotovoltaica: análise via fluxo de potência ótimo binível

Abstract

A inserção de fontes renováveis com geração intermitente e extremamente variável, como a geração solar fotovoltaica, impõe novas condições operativas ao sistema elétrico de potência. No Brasil, a maioria das usinas fotovoltaicas (UFVs) pertencem a pequenos consumidores optantes por gerar parte de seu consumo de energia elétrica através da autogeração. Esses consumidores são, na verdade, prosumers, uma vez que têm o direito de serem compensados financeiramente pelo fornecimento de energia à rede. Visto que os prosumers possuem interesses individuais, podendo ser contrários aos interesses da concessionária, o presente estudo avalia o impacto de ações independentes dos consumidores com autogeração fotovoltaica na operação em regime permanente de sistemas de distribuição. As condições de operação são determinadas resolvendo dois modelos de FPO. O primeiro modelo representa o despacho centralizado e supõe-se que o operador do sistema de distribuição tem total controle sobre as potências ativa e reativa fornecidas pelos prosumers. O segundo modelo analisa a interação estratégica entre a concessionária de distribuição e os prosumers pelo modelo de Stackelberg e, portanto, resolve-se um FPO binível. O problema de nível superior representa o interesse da concessionária de distribuição em maximizar seu benefício esperado. Os problemas de nível inferior expressam os objetivos dos prosumers em minimizar os custos com a compra de energia elétrica e com a manutenção e operação de suas UFVs, sujeitos às limitações de geração de potência ativa e reativa. Este estudo determina o despacho ótimo de geração no horizonte de planejamento de curtíssimo prazo e caracteriza a aleatoriedade da geração solar fotovoltaica através de cenários equiprováveis de irradiância e temperatura. Portanto, uma formulação dinâmica estocástica de dois estágios é adotada. A capacidade de geração de potência ativa das UFVs é obtida a partir de medições de irradiância e temperatura e através da representação dos módulos fotovoltaicos pelo Modelo de Cinco Parâmetros. A absorção ou injeção de potência reativa é limitada pela curva de capabilidade do inversor fotovoltaico. A metodologia proposta implementada em ambiente computacional MATLAB e na plataforma de otimização GAMS foi aplicada aos alimentadores reais da concessionária de distribuição do estado de Santa Catarina. Os resultados numéricos obtidos enfatizam o efeito de ações independentes dos consumidores com autogeração fotovoltaica nas condições operativas de sistemas de distribuição.

Abstract: The penetration of renewable sources with intermittent and extremely variable generation, such as photovoltaic solar generation, imposes new operating conditions on the electrical power system. In Brazil, most photovoltaic (PV) plants belong to small consumers who choose to generate part of their electricity consumption through self-generation. These consumers are, in fact, prosumers, since they have the right to be financially compensated for providing power to the grid. Since prosumers have individual interests, which may be contrary to the interests of the distribution system operator, this study evaluates the impact of their independent actions on the steady-state performance of the distribution system. Therefore, steady-state operating conditions are calculated by solving two optimal power flow (OPF) models. The first model represents centralized dispatch and it is assumed that the distribution system operator (DSO) has total control of the amounts of active and reactive power provided by prosumers. The second model analyzes the strategic interaction between the distribution company and the prosumers through the Stackelberg competition and therefore a bilevel optimal power flow (BOPF) is solved. The first-level problem represents the distribution system operator interest in maximizing its expected benefit. The lower-level problems express the prosumers objectives in minimizing expenditures, which are associated with the energy bought from the grid and operation and maintenance of their PV plants, subject to their limitations of active and reactive power generation. This study determines the optimal generation dispatch in the very short-term planning horizon and the variability of the solar PV generation was represented through a set of equiprobable irradiance and temperature scenarios. Therefore, a two-stage stochastic dynamic formulation is adopted. The active power generation capacity of PV plants is calculated from measurements of solar irradiance and temperature and through the representation of PV modules by the Five-Parameter Model. Reactive power absorption or injection is limited by the PV inverter capability curve. The proposed methodology implemented in the MATLAB computational environment and in the GAMS optimization platform. It was applied to real feeders of the distribution company in the state of Santa Catarina. The numerical results obtained emphasize the effect of the independent actions of consumers with PV self-generation on the operating conditions of distribution systems.