Desafios da integração de energias renováveis não convencionais no sistema elétrico brasileiro: uma análise sistêmica de longo prazo do desempenho da frequência e da resposta dinâmica de aerogeradores com base em medições sincrofasoriais

Abstract

A expansão acelerada de fontes renováveis conectadas por conversores eletrônicos, conhecidas como inverter-based resources (IBRs), na matriz elétrica brasileira impõe novos desafios à estabilidade de frequência do sistema. Esta dissertação analisa os impactos dessa transição no Sistema Interligado Nacional (SIN) utilizando dados sincrofasoriais provenientes de Unidades de Medição Fasorial (PMUs). A metodologia baseia-se em dois níveis de análise: uma abordagem sistêmica de longo prazo e uma avaliação local de conformidade de aerogeradores. Os resultados sistêmicos, obtidos a partir de uma série histórica de frequência de 2011 a 2023 medida pela PMU instalada na rede de baixa tensão da Universidade Federal de Santa Catarina, revelam uma tendência clara de aumento na dispersão estatística da frequência (IQR), evidenciando uma degradação do desempenho em regime permanente, especialmente em períodos de elevada penetração solar, associados a condições de inércia reduzida do sistema e à maior variabilidade da geração e da carga líquida. Na análise local, avaliou-se a resposta de inércia sintética de parques eólicos frente a eventos de subfrequência ocorridos em 2025, utilizando dados de três PMUs instaladas em Pontos de Acoplamento Comum (PACs) de parques eólicos, a partir da análise da variação da potência ativa. Constatou-se que a atuação do suporte de inércia sintética apresentou respostas lentas e, em um caso, falta de coordenação entre diferentes plantas, o que pode comprometer a eficácia do suporte ao sistema. Como contribuição adicional, propõe-se um algoritmo para detecção automática de eventos de subfrequência em fluxos contínuos de dados, demonstrando a viabilidade da metodologia proposta em testes preliminares. O trabalho conclui que o aumento da participação de IBRs reduziu a robustez dinâmica do SIN no período analisado e levanta questionamentos sobre os requisitos de ativação da inércia sintética, especialmente quanto à velocidade de atuação dos aerogeradores, bem como sobre a viabilidade do uso do RoCoF como métrica auxiliar para o disparo desse recurso, além do limiar fixo de 59,8 Hz.

Abstract: The accelerated expansion of renewable energy sources connected through power electronic converters, commonly referred to as inverter-based resources (IBRs), in the Brazilian electricity matrix poses new challenges to frequency stability. This dissertation analyzes the impacts of this transition on the Brazilian Interconnected Power System (SIN) using synchrophasor data obtained from Phasor Measurement Units (PMUs). The methodology is based on two levels of analysis: a long-term system-wide approach and a local compliance assessment of wind turbines. The system-wide results, obtained from a historical frequency time series from 2011 to 2023 measured by the PMU installed in the low-voltage network of the Federal University of Santa Catarina, reveal a clear increasing trend in the statistical dispersion of frequency (IQR), indicating a degradation of steady-state performance, particularly during periods of high solar penetration, associated with low system inertia conditions and increased variability of generation and net load. In the local analysis, the synthetic inertia response of wind farms during underfrequency events occurring in 2025 was evaluated using data from three PMUs installed at the Points of Common Coupling (PCCs) of wind farms, based on the analysis of active power variations. The results show that the activation of synthetic inertia support presented slow responses and, in one case, a lack of coordination among different plants, which may compromise the effectiveness of system support. As an additional contribution, an algorithm for the automatic detection of underfrequency events in continuous data streams is proposed, demonstrating the feasibility of the proposed methodology in preliminary tests. The work concludes that the increasing participation of IBRs has reduced the dynamic robustness of the SIN during the analyzed period and raises questions regarding the activation requirements of synthetic inertia, particularly concerning the response speed of wind turbines, as well as the feasibility of using RoCoF as an auxiliary metric to trigger this resource in addition to the fixed 59.8 Hz threshold.