BRPI1105061A2

BRPI1105061A2 - sistema de distribuiÇço de energia

Info

Publication number: BRPI1105061A2
Application number: BRPI1105061-6A
Authority: BR
Inventors: Wei Ren; Kathleen Ann O'brien
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 2010-11-30
Filing date: 2011-11-10
Publication date: 2013-03-19
Also published as: JP2012120428A; US20120133209A1; CA2758901A1; AU2011253580A1; EP2461454A2

Abstract

SISTEMA DE DISTRIBUIÇçO DE ENERGIA. Um sistema de gerenciamento de distribuição (DMS) (12) que inclui um controlador de volt/var integrado (IWC) (14) que é configurado para controlar a operação de, pelo menos, uma fonte de energia renovável correspondente (56), (58) ou conversor de energia de dispositivo de armazenamento de energia (60), (62), (64) em resposta aos comandos IWC gerados através do software de otimização algorítmico integrado ao IWC (14). Pelo menos uma fonte de energia renovável (56), (58) ou dispositivo de armazenamento de energia (60), (62), (64) é controlado para operar isolado ou em coordenação com um ou mais dispositivos de compensação de energia reativa (VAR) de tamanho de etapa distintos (22) para gerar energia reativa que varia continuamente exigida por um sistema de distribuição de energia correspondente (50).

Description

"SISTEMA DE DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA" Antecedentes

A invenção refere-se, de modo geral, a sistemas de controle volt/var integrados, e mais particularmente, a um sistema e método de integrar tecnologias de geração de energia renovável com sistemas de controle volt/var integrados.

Grandes cargas indutivas como aparelhos de ar condicionados, fornos de indução, secadoras, e similares podem consumir energia reativa (VARs) além de energia ativa (Watts). Transferir energia reativa por meio de linhas de transmissão e alimentadores de distribuição envolve perdas I2R que precisam ser supridas por utilitários. Devido ao fato de que os medidores de energia residenciais medem somente Watts que são usados para determinar as exigências de faturamento do cliente, os utilitários querem minimizar o número de VARs consumidos. Esse resultado é alcançado, em geral, pela comutação nos bancos de capacitores para compensar pelas perdas de VAR localmente nos sistemas de distribuição.

Além dos bancos de capacitores para fornecer compensação de VAR, os sistemas de distribuição são equipados também com dispositivos reguladores de tensão (por exemplo, transformador com comutação sob carga - OLTC, ou regulador de tensão - VR) para aumentar ainda mais o controle das tensões de alimentação. Inúmeros padrões de rede diferentes exigem que os utilitários forneçam suas tensões do terminal de alimentação, vistas pelos usuários finais, dentro de uma faixa estreita por volta do valor nominal. Tradicionalmente, o controle desses dispositivos de Volt/VAR é implementado localmente e individualmente em cada dispositivo. Nos últimos anos, um sistema de controle avançado é implementado para coordenar entre o controle de OLTC, VR, e banco de capacitores para alcançar funções objetivas customizáveis múltiplas como a minimização de perda de alimentador, maximização do fator de energia na subestação, minimização da demanda por energia total durante a hora de pico, aplanação do perfil de tensão, e etc. Esse chamado controle de volt/var integrado (IWC) emprega algoritmos avançados (por exemplo, algoritmo de otimização global, fluxo de carga de distribuição, estimativa de estado de distribuição, previsão de carga de distribuição) dentro de um Sistema de Gerenciamento da Distribuição (DMS) para realizar essa tarefa.

Bancos de capacitores volumosos são completamente ativados ou completamente desativados de acordo com o comando IWC. Mesmo para os bancos de capacitores de etapas múltiplas, não importa quantas etapas eles tenham, a energia reativa ativada ou desativada será em quantidades estabelecidas discretas que, de modo geral, não podem ser mudadas. Em contraste, os inversores eólico e solar têm a capacidade de controlar livremente a saída de energia reativa. Em vista do mencionado anteriormente, seria vantajoso integrar

as capacidades de energia reativa controlável de forma livre dos geradores de energia renováveis que incluem, sem limitar, sol, vento, célula de combustível, bateria de armazenamento, e similares, ao algoritmo(s) de otimização IWC para fornecer um sistema de gerenciamento de distribuição aprimorado. Breve Descrição

De modo breve, de acordo com uma realização, um sistema de

distribuição de energia compreende:

pelo menos uma fonte de energia renovável ou dispositivo de

armazenamento; e

um sistema de gerenciamento de distribuição (DMS) que

compreende um controlador de volt/var integrado (IWC), em que o DMS é configurado para controlar a operação de, pelo menos, uma fonte de energia renovável correspondente ou dispositivo de armazenamento conversor de energia em resposta aos comandos IWC de modo que, pelo menos, uma fonte de energia renovável ou dispositivo de armazenamento opera isolado ou em coordenação com um ou mais dispositivos de compensação de energia reativa (VAR) de tamanho de passo discreto para gerar energia reativa que varia continuamente.

Um sistema de distribuição de energia de acordo com outra realização compreende:

pelo menos uma fonte de energia renovável ou dispositivo de armazenamento configurado em combinação com um ou mais conversores de energia para gerar quantidades de energia reativa que variam continuamente;

pelo menos um dispositivo de compensação de energia reativa (VAR) configurado para fornecer quantidades incrementais predeterminadas de energia reativa;

um controlador de volt/var integrado (IWC) que compreende software algorítmico de otimização; e

um sistema de gerenciamento de distribuição (DMS) configurado para a operação de controla de uma ou mais fontes de energia renovável ou dispositivos de armazenamento e conversão de energia e o, pelo menos, um dispositivo de compensação de VAR em resposta ao software algorítmico de otimização IWC de modo que, pelo menos, uma fonte de energia renovável ou dispositivo de armazenamento opere isolado ou em combinação com, pelo menos, um dispositivo de compensação de VAR para gerar energia reativa que varia continuamente exigido pelo sistema de distribuição de energia.

De acordo com ainda outra realização, um método de operar um sistema de distribuição de energia compreende:

fornecer, pelo menos, uma fonte de energia renovável ou dispositivo de armazenamento de energia configurado em combinação com um ou mais conversores de energia para gerar quantidades de energia reativa que variam continuamente;

fornecer, pelo menos, um dispositivo de compensação de energia reativa (VAR) configurado para fornecer quantidades incrementais predeterminadas de energia reativa;

fornecer um controlador de volt/var integrado (IWC) responsivo

ao software algorítmico de otimização;

fornecer um sistema de gerenciamento de distribuição (DMS); e controlar a operação de pelo menos uma fonte de energia renovável correspondente ou dispositivo de armazenamento conversor de energia em reposta aos comandos IWC determinados através do software algorítmico de otimização de modo que, pelo menos, uma fonte de energia renovável ou dispositivo de armazenamento de energia opere para variar a energia reativa suprida ao sistema de distribuição de energia somente quando o um ou mais dispositivo(s) de compensação de VAR são capazes de fornecer somente menos do que ou mais do que a energia reativa exigida pelo sistema de distribuição de energia.

Desenhos

Esses e outros recursos, aspectos e vantagens da presente invenção serão mais bem entendidos quando a descrição detalhada a seguir for lida com referência aos desenhos em anexo, no quais os caracteres similares representam partes similares ao longo dos desenhos, nos quais:

A Figura 1 ilustra um sistema (IWC) de controle de volt/var integrado convencional que é conhecido na técnica antecedente; e

A Figura 2 ilustra um sistema IWC, de acordo com uma

realização da invenção.

Apesar de as figuras dos desenhos identificados acima estabelecerem realizações alternativas, outras realizações da presente invenção são também contempladas, como observado na discussão. Em todos os casos, essa descrição apresenta realizações ilustradas da presente invenção por meio da representação e não limitação. Numerosas outras modificações e realizações podem ser concebidas por aqueles versados na técnica, as quais estão dentro do escopo e espírito dos princípios dessa invenção.

Descrição Detalhada

A Figura 1 ilustra um sistema de distribuição de energia 10 que compreende um sistema de gerenciamento de distribuição convencional (DMS) 12. O DMS 12 opera em resposta a um sistema (IWC) de controle de volt/var integrado 14 que compreende um software de otimização algorítmico. Os fundamentos da compensação de VAR e regulagem de tensão são primeiro descritos, no presente documento, com referência à Figura 1 para fornecer uma melhor compreensão das realizações descritas, no presente documento, com referência à Figura 2. Quando uma carga do usuário consume energia reativa (Q) assim

como energia ativa (P) em um sistema de distribuição, a corrente precisa fluir por um alimentador 16 a fim de transferir a energia ativa e energia reativa a partir de uma subestação 18 até o usuário final, ou carga (20) se não houver compensação de energia reativa entre a subestação 18 e o usuário final ou carga (20). Apesar de a energia reativa não representar o real consumo de energia (na verdade, é a energia saltando entre dispositivos reativos e capacitivos), ela aumenta a magnitude do fluxo de corrente. A partir do aspecto de um sistema de distribuição de energia, esse fluxo de corrente aumentado causa tanto perdas de transferências aumentadas quanto quedas de tensão mais altas nos alimentadores.

A necessidade de suprir corrente reativa para subestações de distribuição individual diminui então a capacidade de transferência geral da energia ativa nas linhas de transmissão. É por essas razões que os dispositivos de compensação da energia reativa (VAR) (por exemplo, bancos de capacitores) 22 são freqüentemente usados em sistemas de distribuição para fornecer localmente energia reativa.

Sistemas de distribuição são também equipados com dispositivos reguladores de tensão, por exemplo, OLTC - transformadores com comutação sob carga 24, ou reguladores de tensão (VoIt) 26, para o controle mais preciso do perfil de tensão ao longo dos alimentadores. Dessa forma, os usuários finais terão sempre níveis de tensão de entrada em uma faixa especificada, por exemplo, 1pu +/- 5%.

Dispositivos de regulagem de Volt e compensação de VAR, até

recentemente, eram controlados com base em medidas locais. Tais técnicas de controla localizadas podem, como uma desvantagem, resultar na disputa sobre o controle mestre/escravo o que incorre ativação e desativação desnecessária e desempenho do sistema geral reduzido. Ao coordenar a operação de todos os dispositivos de regulagem de Volt e compensação a partir de um controlador central (DMS) 12, como retratado na Figura 1, que pode ser alojado na subestação correspondente 18 ou em uma sala de controle DMS, é fornecido uma solução otimizada global para alcançar a minimização das perdas de transferência, aplanação dos perfis de tensão, minimização do consumo de energia total, e similares.

Os presentes inventores reconheceram que com a emergência dos dispositivos de armazenamento/geração de energia renovável distribuída (por exemplo, PV, vento, armazenamento de bateria, veículo elétrico híbrido plug-in (PHEV)), interligar uma rede de energia elétrica através de eletrônicos de energia frontal oferece uma variedade de possibilidades para a utilização dessas fontes livres de energia reativa para substituir parcialmente, ou mesmo totalmente, os dispositivos de compensação de VAR tradicionais (isto é, bancos de capacitores 22). Diferentemente dos bancos de capacitores que podem fornecer somente energia reativa volumosa com tamanhos de passo discretos, dispositivos com base em eletrônicos de energia frontal podem gerar energia reativa que varia continuamente, permitindo, assim, para uma compensação de VAR ainda mais precisa. Essa técnica permite ainda a troca de energia sem exigir qualquer comutação dura, eliminando, assim, transientes de comutação indesejáveis.

Ao olhar a Figura 2, um sistema de distribuição de energia 50 é ilustrado de acordo com uma realização da invenção. O sistema de distribuição de energia 50 compreende um sistema avançado DMS 52 que opera em resposta às instruções fornecidas através do sistema IWC 54 do software algorítmico que juntos são configurados para controlar perdas de VAR e manter níveis de tensão com o uso de técnicas como as descritas no presente documento.

Pode-se ver que o sistema de distribuição de energia 50 compreende fontes de energia fotovoltaicas (PV) 56 e fontes de energia eólicas 58. Apesar de outras fontes de energia renovável que incluem sem limitações, células de combustível 60, armazenamento de bateria 62, e veículos elétricos híbridos plug-in (PHEVs) 64, poderem ser também empregadas pelo uso dos princípios descritos no presente documento, o sistema de distribuição de energia 50 é descrito com referência primeiramente às fontes de energia eólica e solar para aprimorar a clareza. Devido ao fato de que inversores eólicos e solares têm a capacidade de controlar livremente sua energia de saída energia de saída reativa, como declarado no presente documento, esse recurso pode ser empregado através de um algoritmo de otimização que gera comandos 66 do sistema IWC 54 para acrescentar graus adicionais de liberdade para o controle de VAR do sistema DMS 52. Dessa forma, as capacidades da energia reativa controláveis de forma livre dos inversores solares/eólicos/de células de combustível correspondentes aprimoram mais as capacidades do sistema IWC 54 do software algorítmico de otimização e o syste DMS correspondente 52.

Ao aprimorar o sistema IWC 54 do software algorítmico de otimização para utilizar as capacidades da energia reativa controlada de forma livre dos dispositivos de armazenamento/geração de energia renovável, isto é, inversores solares/eólicos/de células de combustível/de bateria, fornecem, de modo vantajoso, uma função pró-ambiente adicional para o sistema IWC 54 sem exigir a adição de custos com hardware para qualquer parte do sistema de distribuição de energia 50. Em um resumo da explanação, um sistema de gerenciamento de distribuição (DMS) 52 que compreende um sistema (IWC) de controle de volt/var integrado 54 de software é configurado para controlar a operação de, pelo menos, uma fonte de energia renovável correspondente ou dispositivo de armazenamento conversor de energia em resposta ao sistema IWC 54 do software de modo que, pelo menos, uma fonte de energia renovável ou dispositivo de armazenamento 56, 58, 60, 62, 64 opere isolado ou em coordenação com um ou mais dispositivos de compensação 22 de energia reativa (VAR) em tamanho de passo discreto para gerar energia reativa que varia continuamente. Essa energia reativa que varia continuamente pode ser transmitida a uma rede de energia ou linha de alimentação correspondente 16 para fornecer a energia reativa local exigida por um usuário final ou carga 20.

Em resumo adicional da explanação, as realizações descritas no presente documento incorporam não somente dispositivos de volt/var tradicionais, por exemplo, reguladores de tensão, bancos de capacitores, mas também fontes de energia renováveis, por exemplo, conversores eólicos/PV. As realizações descritas no presente documento aplicam estratégias de controle de nível de sistema a um sistema de distribuição de energia para regular fluxo de energia em uma rede para atingir objetivos idéias desejados. Apesar de as técnicas de controle de energia reativa terem sido aplicadas a controles de turbina de vento individuais em uma alavanca inferior, tais técnicas de controle conhecidas recebem, em geral, um comando de ponto de regulação a partir do IWC1 e depois operam a turbina de vento para atender àquela solicitação.

Apesar de somente certos recursos da invenção terem sido

ilustrados e descritos no presente documento, muitas modificações e mudanças ocorrerão para aqueles versados na técnica. Deve-se compreender, portanto, que as reivindicações em anexo são destinadas a abranger todas as tais modificações e alterações que estão dentro do verdadeiro espírito da invenção.

Claims

1. SISTEMA DE DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA (50), que compreende: pelo menos uma fonte de energia renovável (56), (58) ou dispositivo de armazenamento de energia (60), (62), (64); e um sistema de gerenciamento de distribuição (DMS) (52) que compreende um controlador de volt/var integrado (IWC) (54), no qual o DMS (54) é configurado para controlar a operação de, pelo menos, uma fonte de energia renovável correspondente (56), (58) ou conversor de energia de dispositivo de armazenamento (60), (62), (64) em resposta aos comandos IWC de modo que pelo menos uma fonte de energia renovável (56), (58) ou dispositivo de armazenamento (60), (62), (64) opere isolado ou em coordenação com um ou mais dispositivos de compensação (VAR) de energia reativa de tamanho de etapa distintos (22), (24), (26) para gerar energia reativa que varia continuamente exigida pelo sistema de distribuição de energia (50).

2. SISTEMA DE DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA (50), de acordo com a reivindicação 1, em que pelo menos uma fonte de energia renovável é selecionada a partir de uma fonte de energia eólica (58), uma fonte de energia solar (56), uma célula de combustível (60), uma bateria de armazenamento de energia (62), e um veículo elétrico híbrido de tomada (64).

3. SISTEMA DE DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA (50), de acordo com a reivindicação 1, que compreende, adicionalmente, um software algorítmico de otimização integrado ao IWC (54), sendo que o IWC (54) é configurado para gerar os comandos IWC em resposta ao software algorítmico de otimização.

4. SISTEMA DE DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA (50), de acordo com a reivindicação 1, em que o um ou mais dispositivos de compensação (VAR) de energia reativa de tamanho de etapa distintos compreendem, pelo menos, um banco de capacitores (22).

5. SISTEMA DE DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA (50), de acordo com a reivindicação 1, que compreende, adicionalmente, um ou mais dispositivos reguladores de tensão (26), nos quais o DMS (50) é configurado adicionalmente para controlar a operação de, pelo menos, um dispositivo de regulagem de tensão (26) em resposta aos comandos IWC de modo que os níveis de tensão associados a uma linha de alimentação elétrica correspondente permaneçam nos limites prescritos durante a energia reativa que varia continuamente.

6. SISTEMA DE DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA (50), de acordo com a reivindicação 1, em que o DMS (52) é configurado, adicionalmente, para controlar a operação em, pelo menos, uma fonte de energia renovável correspondente (56), (58) ou conversor de energia de dispositivo de armazenamento (60), (62), (64) em resposta aos comandos IWC de modo que, pelo menos, uma fonte de energia renovável (56), (58) ou dispositivo de armazenamento (60), (62), (64) opere para variar a energia reativa exigida pelo sistema de distribuição de energia (50) apenas quando o um ou mais dispositivos de compensação de VAR (22) forem capazes de fornecer apenas menos que ou mais que a energia reativa exigida pelo sistema de distribuição de energia (50).

7. SISTEMA DE DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA (50), que compreende: pelo menos uma fonte de energia renovável (56), (58) ou dispositivo de armazenamento de energia (60), (62), (64) configurado em combinação com um ou mais conversores de energia para gerar quantidades de energia reativa que variam continuamente; pelo menos um dispositivo de compensação (22), (24) de energia reativa (VAR) configurado para fornecer quantidades incrementais predeterminadas de energia reativa; um controlador de volt/var integrado (IWC) (54) que compreende um software algorítmico de otimização; e um sistema de gerenciamento de distribuição (DMS) (52) configurado para controlar a operação do um ou mais conversores de energia do dispositivo de armazenamento ou fonte de energia renovável e o pelo menos um dispositivo de compensação de VAR (22), (24) em resposta aos comandos IWC determinados através do software algorítmico de otimização de modo que pelo menos uma fonte de energia renovável (56), (58) ou dispositivo de armazenamento (60), (62), (64) opere isolado ou em combinação com, pelo menos um dispositivo de compensação de VAR (22), (24) para gerar energia reativa que varia continuamente exigida pelo sistema de distribuição de energia (50).

8. SISTEMA DE DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA (50), de acordo com a reivindicação 7, em que o pelo menos um dispositivo de compensação de VAR compreende pelo menos um banco de capacitores (22).

9. SISTEMA DE DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA (50), de acordo com a reivindicação 7, que compreende, adicionalmente, um ou mais dispositivos reguladores de tensão (26), sendo que o DMS (52) é configurado adicionalmente para controlar a operação de pelo menos um dispositivo de regulagem de tensão (26) em resposta aos comandos IWC de modo que os níveis de tensão associados a uma linha de alimentação elétrica correspondente permaneçam dentro de limites prescritos durante a energia reativa que varia continuamente.

10. SISTEMA DE DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA (50), de acordo com a reivindicação 7, em que o DMS (52) é configurado, adicionalmente, para controlar a operação de pelo menos uma fonte de energia renovável correspondente (56), (58) ou conversor de energia de dispositivo de armazenamento (60), (62), (64) em resposta aos comandos IWC de modo que pelo menos uma fonte de energia renovável (56), (58) ou dispositivo de armazenamento (60), (62), (64) opere para variar a energia reativa exigida pelo sistema de distribuição de energia (50) somente quando o um ou mais dispositivos de compensação de VAR (22), (24) forem capazes de fornecer somente menos que ou mais que a energia reativa exigida pelo sistema de distribuição de energia (50)