Otimização de sistemas híbridos para a eletrificação de minirredes com fontes renováveis: aspectos de projeto, operação e gestão

Em sistemas híbridos de geração de eletricidade (SHGEs) é fundamental avaliar corretamente o dimensionamento, a operação e a gestão do sistema, de forma a evitar seu colapso prematuro e garantir a continuidade do fornecimento de energia elétrica com a menor intervenção possível de usuários ou de empresas geradoras e distribuidoras de eletricidade. O presente trabalho apresenta propostas de otimização para as etapas de dimensionamento, operação e gestão de SHGEs atendendo minirredes de distribuição de eletricidade. É proposta uma estratégia de operação que visa otimizar o despacho de energia do sistema, identificando a melhor relação, sob aspectos técnicos e econômicos, entre o atendimento da carga exclusivamente via fontes renováveis e banco de baterias ou exclusivamente via grupo gerador, e o carregamento do banco de baterias somente pelas fontes renováveis ou também pelo grupo gerador. Desenvolve-se, também, um algoritmo de dimensionamento de SHGEs, com auxílio de algoritmos genéticos e simulated annealing, técnicas meta-heurísticas de otimização, visando apresentar a melhor configuração do sistema, em termos de equipamentos que resultem na melhor viabilidade técnica e econômica para uma dada condição de entrada definida pelo usuário. Por fim, é proposto um modelo de gestão do sistema, considerando formas de tarifação e sistemas de controle de carga, cujo objetivo é garantir uma relação adequada entre a disponibilidade energética do sistema de geração e a carga demandada. A estratégia de operação proposta combina as estratégias de operação descontínua do grupo gerador, da potência crítica e do ponto otimizado de contribuição do gerador no carregamento do banco de baterias, e seus resultados indicam que há redução nos custos de operação globais do sistema. Com relação ao dimensionamento ótimo, o algoritmo proposto, em comparação a outras ferramentas de otimização de SHGEs, apresenta bons resultados, sendo adequado à realidade nacional. O modelo de gestão do sistema propõe o estabelecimento de limites de consumo e demanda, adequados à realidade de comunidades isoladas atendidas por sistemas com fontes renováveis e, se corretamente empregados, podem ajudar a garantir a sustentabilidade dos sistemas.

ABSTRACT: To avoid premature failure of hybrid power systems for electricity generation (HPSEG) and to ensure the continuity of power supply with minimum intervention of users or utilities it is essential to evaluate the design, operation and management of the system correctly. This thesis presents optimization proposals for the stages of design, operation and management of HPSEG in microgrid configuration. An operational strategy is proposed, which aims to optimize the energy dispatch of the system, identifying the best relationship, considering technical and economic aspects, between load supply exclusively via renewable sources and battery bank or exclusively via generator set, and the battery bank being charged only by renewable sources or also by the generator set. An algorithm for sizing HPSEG is also developed, using genetic algorithms and simulated annealing, metaheuristic optimization techniques, aiming to present the best system configuration, in terms of equipment, that result in the best technical and economic feasibility for a given input, defined by the user. Finally, a system management model is proposed, considering tariffing and load control systems with the objective of ensuring an appropriate relationship between energy availability of the generation system and load demand. The operational strategy proposed combines the strategies of discontinued operation of the generator set, the critical load and the optimum contribution of generator to battery charging, and the results show that there is a decrease in the system’s operational costs. Related to the sizing optimization, the proposed algorithm, when compared to other tools for the optimization of HPSEG, presents good results and is suitable for the Brazilian reality. The management model of the system proposes the establishment of consumption and demand limits suitable to the reality of isolated communities supplied by renewable generation systems and, if correctly applied, can help guarantee the system's sustainability.