O documento discute as redes inteligentes, incluindo sua definição, características e iniciativas. Aborda a necessidade de redes inteligentes devido à crescente geração distribuída renovável e consumidores proativos, e como as redes inteligentes podem otimizar a operação dos sistemas elétricos e melhorar a eficiência do uso de energia. Também descreve projetos pilotos de redes inteligentes no Brasil e na UFC.

1. Jornada de Tecnologia do Piauí
Teresina, 11 de setembro de 2014
Impacto da Eletrônica de Potência nas
Redes Inteligentes
UFC
DEE - Fonte: (NIST, 2009)
GPEC – Prof. Fernando Antunes,
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2. Histórico
GPEC – DEE - UFC
• Motivação:
– Crise do petróleo em 1973
– Sustentabilidade do meio ambiente para produção de energia elétrica
– Crescimento de demanda por energia elétrica
• Novas tendências:
– Fontes renováveis para geração de energia elétrica
– Geração distribuída
– Consumidor pro-ativo
– Armazenamento do lado da carga (Mudança de paradigma).
• Não há uma única definição universalmente aceita para Redes
Inteligentes (RI).
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3. 1979
Foto do Polo Norte em 1979
GPEC – DEE - UFC
Source: Stefan Rahmstorf, Potsdam Institute for Climate Impact Research
www.gpec.ufc.br 3

4. 2007
Foto do Polo Norte em 2007
GPEC – DEE - UFC
Source: Stefan Rahmstorf, Potsdam Institute for Climate Impact Research
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5. Emissão de CO2
GPEC – DEE - UFC
Emissão [GtC]
Fonte: PIK 2007
Crescimento na produção de CO2
Produção segura de CO2
Ano
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6. Combustíveis Fósseis x Fontes Renováveis na
Produção de Energia Elétrica
Usinas a Combustívies
Fósseis
UFC
Perdas
DEE Usinas Hidroelétricas, - Eólicas e
Combustíve Solares
l
Energia Renováveis Energia
GPEC 38 % Rendimento – 100 % Rendimento
Fonte: Prof. Dr. J. Schmid
Fraunhofer IWES
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7. Tendência na Produção de Energia
De Combustívies fósseis para renováveis.
De Carro com motor à combustão interna para carro UFC
elétrico.
- Today Tomorrow
DEE Combustion Motor
GPEC Fuel
– Gasoline,
Losses
Diesel,
Fuel
Electro Motor
Natural Gas
Losses
Renew.
Drive Power
Renew.
Drive Power
Power
Power
20 % Efficiency 80 % Efficiency
Fonte: Prof. Dr. J. Schmid
Fraunhofer IWES
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8. Mudança de Conceito
Perdas
Usinas
A carvão
Energia elétrica
UFC
- Veículos
Perdas
DEE GPEC – Energia útil
•Cada kWh do sol, vento ou hidro substitui:
•2,5 kWh de energia primária do carvão
•3,0 kWh de energia primária de combustíveis nucleares
•2,5 kWh de energia primária de combustível para mobilidade
•1,0 kg CO2 das usinas elétricas
•0,4 kg CO2 usinas elétricas a ciclo combinado
Solar, eólica e hidro
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• Primary energy
Solar, eólica e hidro
Perdas em baterias
Energia útil
• 60 %
• 40 %
• 80 %
• 20 %
• Primary energy
Fonte: Prof. Dr. J. Schmid
Fraunhofer IWES

9. Potencial de Uso das Fontes Renováveis
de Energia
Fonte: Prof. Dr. J. Schmid
Fraunhofer IWES
Soma das
UFC
DEE Renováveis
- Solar
Eólica
GPEC – Biomassa
Consumo de Energia
Hidráulica
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10. Potencial para desenvolvimento e redução
de custo das renováveis
Proporção do consumo mundial de energia:
Fonte: Prof. Dr. J. Schmid
Fraunhofer IWES
UFC
- Solar Thermal
DEE Power Plants
GPEC – Energia elétrica produzida no Brasil em 2012 498 TWh
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11. Estrutura Predominante dos Sistemas de
Energia Elétrica
Hoje:
Geração Cetralizada
Dimensionado para
carga máxima
Tarifa Fixa
Rejeição de carga
Rede sem comunicação
Sistema limitado para
geração distribuída
Grandes reservas para
cargas não esperadas ou
falha no sistema
Controle Unidirecional
coal nuclear hydro
•
Rede de
alta tensão
UFC
DEE - Rede de
média tensão
GPEC – Rede de
baixa tensão
Fonte: Prof. Dr. J. Schmid
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Fraunhofer IWES

12. Mudança nos Sistemas de Energia Elétrica
Geração distribuída com
fontes renováveis de energia
Intermitência das fontes
renováveis
Incerteza de suprimento na
hora do consumo
carvão nuclear hidro Gás e vapor
GPEC – DEE - UFC
Armazenamento no lado da
carga
Informação on-line das
tarifas variáveis
Limite de potência variável,
Parque dependendo da carga
eólico
Necessidade de reservas
reduzidas
Comunicação bi-direcional
com grande fluxo de
informação
PV FC Wind PV FC CHP
Fonte: Prof. Dr. J. Schmid
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Fraunhofer IWES

13. Redes Inteligentes
UFC
DEE - GPEC – Fonte:IEEE Power & Energy Magazine
March/April 2010 pp.13
Rede Tradicional Rede Inteligente
Geração Centralizada
Geração Distribuída
Fluxo de Potência Unidirecional
Fluxo de Potência Bidirecional
Consumidor Passivo
Consumidor Ativo
Comportamento Previsível
Comportamento estocástico
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14. Redes Inteligentes
Como defini-las?
GPEC – DEE - UFC
As mudanças nos sistemas de energia elétrica, a necessidade
de controle da intermitência das fontes renováveis de energia,
do armazenamento no lado da carga levaram ao
desenvolvmento do conceito das redes inteligentes.
O Que há por trás da expressão REDE INTELIGENTE?
O termo rede inteligente descreve a conectividade entre
infra-estruturas, que até agora eram operadas
independentes umas das outras: a rede elétrica,
medidores de energia e a informação da rede. A
combinação deles torna uma rede comum numa rede
"inteligente”.
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15. Redes Inteligentes
Como defini-las?
UFC
Rede DEE Elétrica
- GPEC Infra-– estrutura de “inteligência”
www.gpec.ufc.br Fonte: Tom Oh, Rochester Institute of Technology
15

16. Redes Inteligentes
• Próxima geração de redes de distribuição serão
caracterizadas pelo uso de novas tecnologias:
– Lado da geração
• Geração distribuída baseadas em fontes UFC
renováveis
• Gerenciamento de micro-redes e - de plantas de
geração virtual
– Lado do consumidor
DEE • Cargas controláveis
GPEC • Micro-geração – com interface eletrônica
• Carros elétricos
– Operação de rede
• Dispositivos de rede interligados por rede de
comunicação
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17. Redes Inteligentes
• Representam a modernização dos sistemas de
energia elétrica na direção de protegê-los e
monitorá-los na operação dos seus diversos
componentes:
– Geração centralizada e geração distribuída conectadas
GPEC – DEE - UFC
pelas redes de alta e de baixa tensão.
– Distribuição em corrente contínua.
– Automação predial.
– Sistemas de armazenamento de energia e usuários.
– Veículos elétricos
– Eletrodomésticos.
• É a interconexão entre os sistemas de
energia elétrica, TI e telecom.
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18. Geração Distribuída
UFC
DEE - GPEC – Fonte ?????
Necessidade de interface apropriada Conversores Estáticos
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19. Redes Inteligentes
• As RI contribuem para:
– Otimizar a operação dos sistemas de potência
– Melhorar a qualidade da energia
UFC
– Aumentar a segurança e eficiência das redes elétricas
– Aumentar a eficiência do uso dos equipamentos
- – Diminuir perdas nos sistemas de distribuição
– Reduzir custos com DEE manutenção e reparo de equipamentos
– Criar novos serviços para aumento de receita
GPEC – Vender mais energia – pelo aumento da disponibilidade de
serviço
– Reduzir a demanda elétrica global
– Alcançar as metas ambientais
– Outros ...
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20. Infraestrutura para Micro-rede
• Medidores digitais: com medição em quatro quadrantes, bidirecional, classe 0,2%, com
memória de massa, firmware atualizável, atendendo requerimentos da Aneel.
• Religadores inteligentes:
– capaz de medir e armazenar corrente e tensão em ambos lados da chave, capaz de
proteção bidirecional: detecta direção de corrente de falta, UFC
controle micro-processado,
e múltiplos protocolos de comunicação.
• Dispositivos Eletrônicos Inteligentes: relés numéricos, - PMUs
• Chaves elétricas com sensores de tensão e corrente em ambos lados da chave
• Fontes de diferentes tecnologias: DEE PV, Eólica, FC, CHP, PCH.
• Conversores estáticos
GPEC • Dispositivos de armazenamento – de energia: Baterias, Supercapacitores.
• Cargas eletrônicas programáveis
• Sistema de comunicação
– Fibra ótica
– RF Mesh
– PLC
• FACTS/UPFC
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21. Redes Inteligentes
Iniciativas Internacionais
GPEC – DEE - UFC
• Segundo o relatório Accelerating Successful Smart Grid Pilots em 2010
já existiam cerca de 90 projetos pilotos de redes inteligentes no mundo.
• De acordo com Energy Retail Association mais de 250 projetos
relacionados RI no mundo.
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Fonte: (ENERGY UK, 2012).

22. GPEC – DEE - UFC
www.gpec.ufc.br
Redes Inteligentes
Experiências no Brasil
Região Custos (R$ mi)
Norte 28.11
Nordeste 43.37
Centro-Oeste 3.16
Sudeste 292.52
Sul 44.13
Fonte: Próprio autor com base nos dados da ANEEL.

23. Redes Inteligentes
Experiências no Brasil
• No Brasil concessionárias com projetos em redes
inteligentes:
– Light – uso de Medidores Inteligentes UFC
e Tomada
Inteligente.
- – EDP –projeto na cidade de Aparecida do Norte (SP)
em parceria com a DEE USP atuando em medição
inteligente (Grupo EDP + Ecil tiveram 1º medidor
GPEC inteligente nacional – homologado pelo Inmetro) e
Geração Distribuída.
– CPFL – Telemedição do Grupo A e Mobilidade para
otimização da equipe de campo, implementados com
consultoria da IBM.
– Copel – Cidade Digital (Curitiba-PR)
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24. Redes Inteligentes
Experiências no Ceará
Pesquisa e Desenvolvimento para Implantação de
um Piloto de Redes Inteligentes (SmartGrid) UFC
para
Automação do Sistema - Elétrico
ANEEL/COELCE DEE Programa de P&D
Objetivo:
GPEC Desenvolvimento junto – a GPEC de sistema de geração distribuída – Planta
piloto para rede inteligente.
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25. Redes Inteligentes
Experiências na UFC
GERENCIAMENTO E CONTROLE UFC
DE MICRO-REDE
INTELIGENTE
- Edital MCT/CNPq/DEE CTENRG Nº 04/2010
GPEC – Objetivo:
Estudo teórico e experimental do gerenciamento e controle de uma micro-rede
baseada em fontes renováveis e sistema de armazenamento de
energia, com comunicação operando em modo interligado à rede de
dsitribuição.
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26. Micro-Rede da UFC em Execução
GPEC – DEE - UFC
www.gpec.ufc.br 26

27. Projetos em Execução
DESENVOLVIMENTO DE TÉCNICAS PARA MELHORIA DA
CONTROLABILIDADE E SUPORTABILIDADE A FALTAS DE
SISTEMAS DE GERAÇÃO BASEADOS EM FONTES
RENOVÁVEIS DE ENERGIA, INTERLIGADOS UFC
E
AUTÔNOMOS
Edital MCT/CNPq/DEE CTENRG Nº - 04/2010
Objetivo:
Este trabalho tem por objetivo o estudo teórico e
GPEC experimental da – interação de sistemas de geração
baseados em fontes renováveis de energia (células a
combustível, aerogeradores e painéis fotovoltaicos) com
a rede elétrica e em sistemas autônomos.
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28. Concepção Proposta
PMSG 75 kW
UFC
- DFIG 12 kW
DEE GPEC – PV 2 kWp
FC 1,5 kWp
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29. Micro-Rede CC e CA
Nova Concepção na Integração de Sistemas Fotovoltaicos
Interligados à Rede Elétrica
UFC
DEE - GPEC – www.gpec.ufc.br 29

30. Novas Concepções
Transformadores de Estado Sólido
GPEC – DEE - UFC
www.gpec.ufc.br 30

31. Topologia da Micro-rede GPEC 31
UFC
Ponto de Conexão
DEE - M M M M M M
GPEC – AC -DC-AC
AC
DFIG
AC-DC
DC
DC-DC DC-DC DC-DC
PV FC
DC-AC
AC-DC-AC
PMGS PV
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32. Energia Solar
• A tecnologia fotovoltaica mudou a forma de como pensamos
sobre energia.
• Desde 1970, foi demonstrado que se pode obter uma
considerável parte da energia elétrica sem queimar
combustíveis fósseis ou utilizar fissão nuclear.
• A conversão fotovoltaica pode ser utilizada em inúmeras
aplicações, escalas, climas e localidades geográficas.
• Possibilita o acesso à eletricidade para localidades remotas,
evitando o uso de geradores a diesel, e o transporte deste
combustível.
• Pode ajudar um sistema elétrico a fornecer picos de
consumo, especialmente onde o uso de ar condicionado é
extensivo.
GPEC – DEE - UFC
www.gpec.ufc.br 3322

33. Energia Solar
• Sistemas Fotovoltaicos (Foto=Luz e voltaica= Produz
tensão)- Convertem energia solar diretamente UFC
em
eletricidade usando semicondutores - (rendimento ≈ 12-
19%).
• Sistemas Térmicos DEE – Produzem calor a partir da
GPEC radiação solar (– rendimento ≈ 45%).
www.gpec.ufc.br 3333

34. Conversão fotovoltaica
Os fotons incidentes da luz solar alcançam as camadas dopadas (p e n) formando
cargas positivas e negativas que alcançam os contatos metálicos externos devido à
existência de um campo elétrico na camada de depleção. Como resultado há uma
diferença de potencial entre os contatos metálicos externos. Quando estão conectados
a uma carga, surge uma corrente elétrica.
GPEC – DEE - UFC
www.gpec.ufc.br 333444

35. Influência da radiação solar na curva v x i
1000 W/m² 800 W/m² 600 W/m² 400 UFC
W/m² 200 W/m²
- A]
[DEE I GPEC Current – Voltage V [V] www.gpec.ufc.br 333555
4,00
3,50
3,00
2,50
2,00
1,50
1,00
0,50
0,00
0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 0,55 0,60 0,65 0,70

36. Importância da Operação no Ponto
4,00
UFC
3,50
3,00
- 2,50
DEE 2,00
GPEC 1,50
– 1,00
0,50
0,00
0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0 14,0 16,0 18,0 20,0 22,0
Voltage V [V]
www.gpec.ufc.br 333666
Current I [A]
1000 W/m² 600 W/m² 200 W/m² Load
P 1
P 2
P' 1
de Máxima Potência

37. Painel Fotovoltaico
GPEC – DEE - UFC
www.gpec.ufc.br 333777

38. Porque o Conversor Eletrônico?
Painel Conversor cc-cc
Carga cc
fotovoltaico
- Pe rm ite m o c o ntro le d a c a rg a d a ba te ria e a o m e sm o te m p o p e rm ite UFC
m a im p le m e nta ç ã o d e
a lg o rítim o s p a ra a o p e ra ç ã o d o p a ine l fo to vo lta ic o no p o nto d e m á x im a p o tê nc ia , o q ue nã o é
p o s s íve l c o m o s c o ntro la d o re s d e c a rg a m o s tra d o s .
- 1000 W/m² DEE 600 W/m² 200 W/m² Load
4,00
3,50
GPEC 3,00
2,50
– 2,00
1,50
1,00
P 2
0,50
P' 1
P 1
0,00
0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0 14,0 16,0 18,0 20,0 22,0
Voltage V [V]
Current I [A]
www.gpec.ufc.br 38

39. Sistemas Fotovoltaicos Isolados
Sistema PV cc/ca
Barramento CC
DC Bus
UFC
Painel
Regulador de
- DDP
Consumidor
fotovoltaico
carga
DEE em cc
Bateria
GPEC – ~
Inversor
Inverter
Barramento CA
Consumidor
em ca
www.gpec.ufc.br 39

40. Sistema PV para Alimentação de
Escola Rural em CC
CARGAS AC
CONVERSOR
COM RETIFICADOR
NA ENTRADA
CONTROLE 311 Vcc
UFC
DE CARGA
DEE Parceiro: - Eletrobrás Piauí
GPEC – www.gpec.ufc.br 40
PV
CONTROLADOR
BANCO DE BATERIAS
CC
Lâmpadas
ELEVADOR
Econômicas
Carregador
Celular
Aparelho de
Som Portátil
24 Vcc

41. Sistema PV para Alimentação de
Escola Rural em CC
GPEC – DEE - UFC
• Sistema Fotovoltaico para Consumidor Rural em CC
• Eletrobras Piaui- CEPISA (PI) - Programa de P&D.
Parceiro: Eletrobrás Piauí
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42. Sistemas Híbridos com Barramento CA
UFC
=
~
- Carga
Painel
Inversor
fotovoltaico
DEE Gerador diesel
GPEC Célula
=
combustível
– ~
Inversor
Banco de bateria
=
~
Inversor
BARRAMENTO EM CA
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43. Energia Eólica
– S – Área total varrida pelas pás (m2)
– V – velicidade do vento(m/s)
– ρ - air density (kg/m3)
UFC
DEE - GPEC – P = 1 C ´ S ´r ´V
3
m 2 p www.gpec.ufc.br 43

44. Sistema de Conversão Eólio-Elétrica
Hardware, regulamentação e controle
GPEC – DEE - UFC
www.gpec.ufc.br
Rede/Carga
Energia
Cinética
Conversor
Energia
Mecânica Energia Elétrica

45. Requisitos para Integração à
Rede Elétrica
G
UFC
DEE - GPEC – www.gpec.ufc.br
n,T DC-link P,Q LC-Filter N1/N2 Rede
Gerador Conversor do lado
da máquina
Conversor do
lado da rede
Filtro Trafo

46. Aerogerador Conectado à Rede Elétrica
UFC
DEE - GPEC Gerador Síncrono de – Íma Permanente
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PMSG
Conversor Inversor

47. Conversor Processando Plena Potência
GPEC – DEE - UFC
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Controle de torque e
velocidade do gerador
para máxima
transferência de
potência.
Transferência de energia
para rede, controle de
potências ativa e reativa e
qualidade de energia
(harmônicas de corrente).
Controle de
tensão no elo
cc
Fonte: Leonowicz, Z “Power-
Electronic Systems for the Grid
Integration of Renewable Energy
Sources”.

48. Conversores Estáticos - Exemplos
UFC
DEE - GPEC – 0.8
0.6
0.4
Amplitude 0 0.005 0.01 0.015 0.02
0 0.005 0.01 0.015 0.02
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-0.2
-0.4
-0.6
Conversor de 2 nívies (esquerda) e de 3 níveis (direita)
0.8
0.6
0.4
-1
-0.2
-0.4
-0.6
-0.8
0
0.2
1
Time /s
-1
-0.8
0
0.2
1
Time /s
Amplitude

49. Sistema HVDC
Conversores em um sistema de transmissão em CC
I
D1
UFC
DEE - GPEC – 50Hz 60Hz
D D D
6
D3
4
D5
2
D D D
1'
D D D
6'
3'
4'
5'
2'
ia
ia1
ia2
+
-
+
-
+
-
Vo1
D D D +
750 kVrms 750 kVrms
a1 a2
I
6'
1'
D D D
6
D1
4'
3'
4
D3
2'
5'
2
D5
-
+
-
+
1200 kVcc +-
www.gpec.ufc.br 49
ai
a1i
i a2 D D D
-
Vo2
R
R
850km
a1 Controla o nível de tensão da linha CC
a2 Controla a magnitude da corrente na linha CC

50. Conversores para HVDC
Transmissão Extra Alta Tensão em CC
GPEC – DEE - UFC
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51. Sistema Elétrico Integrado Nacional
GPEC – DEE - UFC
www.gpec.ufc.br 51

52. Contato
GPEC – DEE – UFC
Caixa Postal 6001 – Campus do Pici
60.455-760 - Fortaleza – - Ceará UFC
- Brasil
DEE GPEC – Tel.: +55 85 3366 9586 Fax +55 85 3366 9574
E-mail: fantunes@dee.ufc.br
www.gpec.ufc.br
OBRIGADO!
www.gpec.ufc.br 52