Concepção, análise e implementação de uma microrrede interligada à rede elétrica para alimentação ininterrupta de cargas CC a partir de fontes renováveis

Abstract

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Florianópolis, 2013.Nesta tese apresentam-se os procedimentos envolvidos na implementação prática de uma microrrede composta por um arranjo fotovoltaico de 1 kW,um aerogerador de 1 kW, uma célula a combustível de 1,2 kW e um banco de supercapacitores de 31,5 F/ 250V. O sistema, concebido de maneira apermitir o suprimento ininterrupto de energia a uma carga crítica cc, é capazde operar em dois modos distintos: interligado à rede ou isolado. Quandooperando no modo interligado, a rede elétrica da concessionária se fazpresente, absorvendo a energia excedente nos momentos em que a geraçãorenovável superar a demanda, ou complementando-a, caso contrário.Ressalta-se que neste modo de operação a célula a combustível, por ser afonte cujo custo de despacho é o mais elevado (cenário brasileiro), jamais éacionada. Em contrapartida, no modo isolado, devido à ausência da rede, aoperação do sistema fica condicionada à potência das fontes renováveis,sendo a célula a combustível acionada apenas em casos críticos, de forma aassegurar a continuidade de energia à carga e a autonomia do sistema,definida, por sua vez, pelo montante de hidrogênio estocado. Além daanálise dos resultados inerentes a oito distintos cenários, oriundos dasvariadas combinações de geração e demanda, o trabalho apresentametodologias de escolha, projeto e dimensionamento e controle dosconversores estáticos que compõem cada um dos estágios de processamentode energia, aprofunda a discussão a respeito da geração descentralizada,propõe uma estratégia de controle do fluxo de potência entre as fontesrenováveis, a rede elétrica e a carga crítica e aborda os efeitos relacionadosao emprego de bancos de supercapacitores na estabilidade de sistemascompostos por múltiplas fontes. Por fim, resultados de simulação eexperimentação são apresentados como forma de validar os conceitos. <br>This work presents the procedures related to the practical implementation of a microgrid composed of 1 kW photovoltaic array, a 1 kW wind generator, a 1.2 kW fuel cell and a supercapacitor bank of 31,5 F/ 250V. The system, designed for allowing the uninterrupted maintenance of critical dc load, is able to operate in two distinct modes: grid-connected or stand alone. When in grid-connected mode, the main grid absorbs the extra generated power or complementing it, depending on the load requirements. In this mode, the fuel cell is never active due its high cost (Brazilian scenario). On the other hand, in standalone mode, the load demand is exclusively supplied by the renewable energy sources. However, the fuel cell is started only if there is not enough power provided by the photovoltaic array and wind turbine generator. Thus, the system autonomy is limited to the amount of stored hydrogen. Besides the analysis concerning the results from eight distinct scenarios, obtained by the combination of power generation and load demand, this work presents the methodologies related to the choice, design, size, and control of the employed power converters, discusses about the concept of decentralized generation, proposes a strategy to control the power flow among the renewable energy source, the main grid and the critical load and describes the effects of supercapacitor banks employment on the microgrid stability. Finally, results from simulation and experimentation are used in order to validate the concepts