Distribuição DC em Sistemas Isolados Marco Aurélio Goulart...
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ
INSTITUTO DE SISTEMAS ELÉTRICOS E ENERGIA
Distribuição DC em Sistemas Isolados
Marco Aurélio Goulart Pinheiro
Itajubá, Outubro de 2017
UNIFEI – ISEE Trabalho Final de Graduação
ii
UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ
INSTITUTO DE SISTEMAS ELÉTRICOS E ENERGIA
Marco Aurélio Goulart Pinheiro
Distribuição DC em Sistemas Isolados
Monografia apresentada ao Instituto de
Sistemas Elétricos e Energia, da
Universidade Federal de Itajubá, como parte
dos requisitos para obtenção do título de
Engenheiro Eletricista.
Orientador: Roberto Akira Yamachita
Coorientador: Edson da Costa Bortoni
Itajubá, Outubro de 2017
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Dedicatória
Dedico este trabalho final de graduação a meu pai, Orlando José Pinheiro (in memoriam)
e minha mãe, Margarete Pinheiro, pelo apoio incondicional e constante incentivo ao longo de
toda minha vida.
Dedico também aos meus professores orientadores Roberto Akira e Edson Bortoni e
meu padrinho, Rubens Pinheiro, pela confiança, incentivo e orientação.
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Agradecimentos
Primeiramente, agradeço a Deus por todas minhas conquistas, realizações e
ensinamentos.
Agradeço aos meus pais por diversos motivos, mas destaco aqui todo o esforço que
eles tiveram na vida para me propiciar uma educação de qualidade, permitindo minha graduação
em uma universidade de ponta. Também agradeço minha irmã, que mesmo de longe, sempre
foi uma fonte de apoio e motivação; minha namorada, por sempre estar ao meu lado e meu
padrinho, que me apoiou em toda minha vida.
Gostaria de expressar minha sincera gratidão aos meus professores orientadores,
Roberto Akira e Edson Bortoni, pela oportunidade de realizarmos este trabalho juntos. Foi um
grande privilégio poder trabalhar com professores desse nível.
Quero também agradecer todos os professores das disciplinas que cursei, pois também
contribuíram para minha formação acadêmica.
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Resumo
Nesta monografia é investigado o uso da corrente contínua em sistemas de distribuição,
sobretudo os isolados. Com as tendências atuais, que indicam um uso crescente de
equipamentos DC e grande desenvolvimento na área de eletrônica de potência, sistemas de
distribuição DC tem ganhado força entre os pesquisadores, principalmente em relação à
eficiência da implantação desses sistemas em substituição dos tradicionais sistemas AC. Outros
fatores importantes para essa análise envolvem a estrutura, proteção, controle e regulamentação.
Este trabalho tem como objetivo apresentar uma revisão bibliográfica dos itens citados acima,
procurando destacar as vantagens e desvantagens, e também alguns exemplos práticos de
aplicações dos sistemas isolados que utilizam distribuição DC, tais como veículos elétricos e
navios e uma aplicação prática do fluxo de potência em corrente contínua. Com este estudo
pretende-se gerar conhecimento acerca do tema e identificar lacunas para possíveis estudos
futuros, como sistemas de aterramento, custos e regulamentação.
Palavras chave: corrente contínua, distribuição DC, microrede DC, comparação AC - DC
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Abstract
In this monograph, the use of direct current in distribution systems, especially isolated ones, is
investigated. With current trends, which show a growing use of DC equipment and major
development in the area of power electronics, DC distribution systems have gained strength
among researchers, especially in relation to the efficiency of systems deployment in place of
traditional AC systems. Other elements important for ongoing analysis are protection, control
and standardizations. This paper aims to present a literature review of the items mentioned
above, looking for advantages and disadvantages. It is also presented some isolated systems
applications that use DC distribution, such as electric vehicles and ships, and a direct current
power flow study. This study intends to generate knowledge about the topic and identify gaps
for possible future studies such as grounding systems, costs and standardization.
Key words: direct current, DC distribution, DC microgrid, AC – DC comparison
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Lista de Figuras
Figura 1 - Procedimentos Adotados na Realização da Pesquisa Bibliográfica do Trabalho .... 16
Figura 2 – Sistema de Distribuição DC de um Data Center ..................................................... 18
Figura 3 Sistema de Distribuição Típico de um PHEV ............................................................ 20
Figura 4 - Sistema Elétrico do Navio Queen Elizabeth II ........................................................ 22
Figura 5 - Estrutura Típica de um Sistema de Distribuição DC ............................................... 23
Figura 6 – Estrutura de um Supercondutor ............................................................................... 25
Figura 7 – Bateria de Chumbo-Ácido ...................................................................................... 26
Figura 8 – Propriedades Construtivas de Capacitores, à esquerda e Ultracapacitores à direita26
Figura 9 – Esquema de Aplicação de Volante de Inércia para Rede AC ................................. 27
Figura 10 – a) Retificadores de Onda Completa Controlados b) Conversores AFE ................ 29
Figura 11 – Esquema de Conexão de dois Retificadores Monofásicos de Onda Completa com
Filtro Capacitivo em Paralelo no Software Simulink ............................................................... 30
Figura 12 - a) Chopper Buck Boost b)Transformador de Estado Sólido ................................ 31
Figura 13 - Barramento Monopolar .......................................................................................... 32
Figura 14 - Barramento Bipolar................................................................................................ 33
Figura 15 - Diferentes Estruturas de Comunicação e Tecnologias em Sistemas de Distribuição
DC ............................................................................................................................................. 34
Figura 16 - Configuração Radial de um Sistema de Distribuição DC...................................... 36
Figura 17 - Configuração em Anel de um Sistema de Distribuição DC .................................. 37
Figura 18 - Configuração em Malhas de um Sistema de Distribuição DC .............................. 38
Figura 19 - Configuração em Zonas de um Sistema de Distribuição DC ................................ 39
Figura 20 - Formas de Ondas Típicas DC e AC ....................................................................... 40
Figura 21 - Exemplo de Sistema Elétrico com Três Barramentos ........................................... 41
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Figura 22 - Representação das Admitâncias de um Sistema Elétrico com 3 Barramentos ...... 42
Figura 23 - Faltas em sistemas de distribuição DC: a) linha para terra b) entre linhas ............ 48
Figura 24 – Corrente de Curto Circuito de um Capacitor ........................................................ 49
Figura 25 – Corrente de Curto Circuito de uma Bateria de Chumbo-Ácido ............................ 49
Figura 26 - Corrente de Curto Circuito de um Retificador Trifásico em Ponte ....................... 49
Figura 27 Corrente de Curto Circuito de um Retificador em Ponte Trifásico ......................... 50
Figura 28 – Aproximação da Corrente de Curto Circuito de um Sistema DC Composto por
Capacitor de Alisamento, Bateria de Chumbo-Ácido, Retificador Trifásico em Ponte e Motor
DC com Excitação Independente ............................................................................................. 50
Figura 29 – Controle Hierárquico para Sistemas de Distribuição ............................................ 54
Figura 30 - Controle Sem Comunicação para Sistemas de Distribuição DC ........................... 55
Figura 31 - Controle Distribuído para Sistemas de Distribuição DC ....................................... 55
Figura 32 - Transformação AC para DC de um Sistema de Propulsão Genérico .................... 57
Figura 33 – Consumo de Combustível em Motores com Velocidade Fixa e Variável ............ 58
Figura 34 – Topologia de um Sistema de Distribuição DC Offshore ...................................... 60
Figura 35 – Algorítmo para Solução do Fluxo de Potência em Corrente Contínua ................. 61
Figura 36 – Sistema Elétrico em Corrente Contínua com Dois Barramentos .......................... 62
Figura 37 – Fluxos de Potência do Sistema Elétrico da Figura 35 ........................................... 62
Figura 38 - Sistema Elétrico em Corrente Contínua Radial com Três Barramentos ................ 63
Figura 39 - Fluxos de Potência do Sistema Elétrico da Figura 37 ........................................... 64
Figura 40 – Sistema Elétrico em Corrente Contínua Anel com Três Barramentos .................. 64
Figura 41 - Fluxos de Potência do Sistema Elétrico da Figura 39 ........................................... 65
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Lista de Tabelas
Tabela 1 - Principais Tecnologias de Geração de Energia Elétrica 24
Tabela 2 – Composições Químicas de Baterias e suas Características 26
Tabela 3 – Dados da Simulação de dois Retificadores Monofásicos de Onda Completa com
Filtro Capacitivo em Paralelo no Software Simulink 30
Tabela 4 – Resultado da Simulação de dois Retificadores Monofásicos de Onda Completa com
Filtro Capacitivo em Paralelo Software Simulink 30
Tabela 5 - Elementos Para Cálculo do Fluxo de Potência AC 41
Tabela 6 - Possibilidades de Cálculo do Fluxo de Potência AC 44
Tabela 7 - Possibilidades de Cálculo do Fluxo de Potência em Corrente Contínua 45
Tabela 8 - Aterramento e Faltas em Sistemas DC 51
Tabela 9 - Níveis de Tensão de Diferentes Aplicações DC 56
Tabela 10 – Dados da Primeira Simulação 62
Tabela 11 - Dados da Segunda Simulação 63
Tabela 12 - Dados da Terceira Simulação 65
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Sumário
1 INTRODUÇÃO .............................................................................................................. 12
1.1 Justificativa ............................................................................................................. 13
1.2 Objetivo Geral ........................................................................................................ 14
1.3 Objetivos Específicos .............................................................................................. 14
1.4 Organização do Trabalho ...................................................................................... 14
2 METODOLOGIA ........................................................................................................... 15
2.1 Caracterização do Trabalho .................................................................................. 15
2.2 Metodologia da Pesquisa ........................................................................................ 15
2.3 Metodologia da Aplicação ...................................................................................... 17
3 SISTEMAS DE DISTRIBUIÇÃO DC .......................................................................... 18
3.1 Sistemas de Distribuição DC Existentes ............................................................... 18
3.1.1 Telecomunicações .................................................................................................... 18
3.1.2 Veículos Elétricos ..................................................................................................... 19
3.1.3 Navios ....................................................................................................................... 21
3.1.4 Tração ....................................................................................................................... 23
3.2 Estrutura ................................................................................................................. 23
3.2.1 Geração ..................................................................................................................... 23
3.2.2 Armazenadores de Energia ....................................................................................... 24
3.2.2.1 Supercondutores ............................................................................................... 25
3.2.2.2 Baterias ............................................................................................................. 25
3.2.2.3 Supercapacitores ............................................................................................... 26
3.2.2.4 Volantes de Inércia ........................................................................................... 27
3.2.3 Cargas ....................................................................................................................... 27
3.2.4 Conversores .............................................................................................................. 28
3.2.5 Barramentos .............................................................................................................. 31
3.2.5.1 Barramento Monopolar..................................................................................... 31
3.2.5.2 Barramento Bipolar .......................................................................................... 32
3.2.6 Sistema de Comunicação .......................................................................................... 33
3.3 Topologias ............................................................................................................... 35
3.3.1 Configuração Radial ................................................................................................. 35
3.3.2 Configuração Anel .................................................................................................... 36
3.3.3 Configuração em Malhas .......................................................................................... 37
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3.3.4 Configuração em Zonas ............................................................................................ 38
3.4 Fluxo de Potência .................................................................................................... 39
3.4.1 Fluxo de Potência AC ............................................................................................... 40
3.4.2 Fluxo de Potência em Corrente Contínua ................................................................. 44
3.4.3 Comparação AC vs DC ............................................................................................ 46
3.5 Análise em Falta ..................................................................................................... 47
3.5.1 Aterramento .............................................................................................................. 51
3.6 Proteção ................................................................................................................... 52
3.7 Controle ................................................................................................................... 53
3.7.1 Controle Hierárquico ................................................................................................ 54
3.7.2 Controle Sem Comunicação ..................................................................................... 54
3.7.3 Controle Distribuído ................................................................................................. 55
3.8 Regulamentação ...................................................................................................... 56
3.9 Exemplos de Aplicação ........................................................................................... 56
3.9.1 Sistema de Distribuição DC para Navios ................................................................. 57
3.9.2 Plataformas de Óleo e Gás e Parques Eólicos .......................................................... 59
4 FLUXO DE POTÊNCIA EM CORRENTE CONTÍNUA .......................................... 61
4.1 Primeira Simulação ................................................................................................ 62
4.2 Segunda Simulação ................................................................................................. 63
4.3 Terceira Simulação ................................................................................................. 64
4.4 Resultados ............................................................................................................... 65
5 CONCLUSÃO ................................................................................................................. 67
REFERÊNCIAS ..................................................................................................................... 68
APÊNDICE A: MATERIAL ADICIONAL – ALGORITMO MATLAB ........................ 72
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1 Introdução
No final do século XIX, foi protagonizada, nos Estados Unidos, uma disputa acerca do
surgimento dos primeiros sistemas elétricos de potência. Thomas Edison, de um lado, defendeu
a distribuição em corrente contínua e do outro lado, Nikola Tesla, apoiado por George
Westinghouse, a corrente alternada. Essa disputa ficou conhecida como “Guerra das Correntes”
e terminou com uma predominante implementação da corrente alternada nos sistemas elétricos
mundiais. Uma das principais razões que levou a essa supremacia foi a invenção dos
transformadores, que possibilitou uma maneira simples e eficaz para aumentar ou diminuir
níveis de tensão e, consequentemente, facilitar a cobertura dos sistemas de distribuição de uma
área mais ampla. Além disso, houve também o início da utilização de campos magnéticos
girantes em máquinas rotativas, surgindo os motores de indução, que utilizam corrente
alternada, alternativo aos existentes até então, que eram a única opção e operavam em corrente
contínua. Na utilização da corrente continua, o maior contratempo era justamente a dificuldade
em variar os níveis de tensão, pois os transformadores funcionam apenas com sinais alternados
(ELSAYED, 2015).
No entanto, os sistemas DC não desapareceram completamente do cenário mundial. Em
São Francisco, por exemplo, há um sistema de distribuição DC isolado em funcionamento,
utilizado pela empresa Pacific Gas and Electric (PG&E) para alimentar a frota de elevadores
antigos da cidade. Tais elevadores funcionam através de motores DC, os quais são amplamente
utilizados para sistemas que envolvem tração devido ao seu grande torque inicial e facilidade
do controle de velocidade. Consta ainda que, desde o século passado, existem estudos para
verificar a aplicabilidade da corrente contínua em outros nichos relacionados a eletricidade, tais
como geração de energia e transmissão (FAIRLEY, 2012).
Já em um passado recente, houve um crescimento exponencial das cargas devido ao
crescimento populacional, aumentando a necessidade de sistemas com maior confiabilidade,
sobretudo os que alimentam hospitais, data centers e sistemas que envolvem telecomunicações.
Cada vez mais modernas, essas cargas recentes de alta tecnologia envolvem sistemas
eletrônicos, como é o caso de computadores, celulares, televisões, dentre outros equipamentos
amplamente utilizados. A maioria dessas cargas é alimentada por corrente contínua. Já no outro
lado do sistema, na fonte, também estão havendo mudanças devido ao grande foco nas questões
ambientais e na busca por sustentabilidade. Está cada vez mais difícil construir grandes plantas
de geração de energia, tais como hidrelétricas, pois geralmente causam enormes impactos
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ambientais, já não mais tolerados nos dias de hoje. Isto posto, outras fontes renováveis de
energia estão ganhando força e algumas delas são geradas diretamente em corrente continua.
No entanto, essas fontes, ao serem integradas ao sistema elétrico, demandam equipamentos da
eletrônica de potência, tais como conversores retificadores e inversores. Essa inserção de
geração ao longo da rede, incluindo as fontes renováveis, recebe o nome de geração distribuída,
que causa diversos impactos, como na estabilidade, devido a injeção de harmônicos nos sinais
de corrente, típico de elementos da eletrônica de potência (PARK, 2013).
Outros elementos que estão sendo incluídos nos sistemas elétricos são os sistemas
armazenadores de energia. Seu uso implica em uma maior estabilidade do sistema elétrico,
aumentando a performance geral da rede. Sua integração à rede, assim como os geradores
distribuídos, também depende da eletrônica de potência. Logo, para uma rede DC, sua
implementação seria mais simplificada e envolveria menos perdas (PLANAS, 2015).
Diante desse cenário de crescente utilização de corrente continua e avanço da eletrônica
de potência, Fairley (2012) levantou a hipótese de estar havendo o início de uma segunda
“Guerra das Correntes”, na qual a distribuição DC está em voga, justificado pelo crescente
número de cargas DC e aumento da eficiência dos sistemas, devido a diminuição do número de
conversões envolvidas.
Os elementos acima, que indicam um tema de grande tendência para o futuro, somados
a um grande interesse em sistemas isolados como navios, serviram de motivação para este
trabalho e serão descritos nos próximos capítulos.
1.1 Justificativa
Tendo em vista a relevância que a distribuição DC em sistemas isolados tem
demonstrado para a indústria devido a suas vantagens em relação aos AC, entende-se que este
trabalho pode gerar informações úteis à pratica industrial, bem como, servir como referência
para utilização em trabalhos acadêmicos e práticos futuramente.
Além disso, o trabalho permite aprimorar os conhecimentos sobre os sistemas DC,
sendo de grande relevância acadêmica, visto que compete ao engenheiro eletricista a
compreensão e execução das atividades relacionadas com geração, transmissão e distribuição
da energia elétrica, conforme regulamentado pelo Conselho Federal de Engenharia e
Agronomia (CONFEA).
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1.2 Objetivo Geral
Propor um estudo sobre o estado da arte dos sistemas elétricos de distribuição em
corrente continua, com enfoque nos sistemas isolados.
1.3 Objetivos Específicos
a) Realizar revisão bibliográfica sobre a distribuição DC.
b) Comparar os sinais elétricos AC e DC e suas aplicações no sistema elétrico.
c) Investigar os aspectos mais importantes em um sistema de distribuição DC, tais como
aplicações, estrutura, topologias, análise de operação, análise em falta, proteção,
controle, regulamentação.
d) Propor estudos futuros.
1.4 Organização do Trabalho
Este trabalho está organizado conforme a descrição a seguir. No primeiro capítulo foram
apresentados uma contextualização sobre o tema de pesquisa, os objetivos gerais e específicos
e a justificativa do trabalho. No segundo capítulo é apresentada a metodologia utilizada para
atingir os objetivos propostos. No terceiro capítulo é apresentada a revisão bibliográfica sobre
os sistemas DC isolados, incluindo uma análise sobre cada item descrito, e suas aplicações. O
capítulo 4 apresenta uma aplicação do fluxo de potência em corrente contínua. No quinto e
último capítulo, são apresentadas as considerações finais acerca do trabalho.
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15
2 Metodologia
Este capítulo apresenta uma caracterização da pesquisa quanto à natureza, aos objetivos
e procedimentos, e uma descrição da metodologia utilizada para alcançar os objetivos propostos
neste trabalho.
2.1 Caracterização do Trabalho
Quanto a sua natureza, é considerado uma pesquisa básica com aplicação, pois objetiva
gerar conhecimento para outras possíveis aplicações e trabalhos futuros.
É uma pesquisa de caráter exploratório quanto aos seus objetivos, conforme elucida Gil
(2007), uma vez que se pretende, com este trabalho, obter informações sobre um assunto cujos
estudos são recentes e que começou a ser mais difundido nos últimos anos tanto no meio
acadêmico quanto industrial, embora os sistemas DC sejam uma tecnologia antiga.
O procedimento adotado para o capítulo 3 desta pesquisa foi a revisão bibliográfica que,
segundo Dane (1990), deve buscar definir os assuntos, autores e fontes de dados elucidando
todos os itens relacionados com o tema da pesquisa.
No capítulo 4, foi realizada uma aplicação do fluxo de potência em corrente contínua
com os conceitos do capítulo 3.
2.2 Metodologia da Pesquisa
O capítulo 3 deste trabalho foi realizado utilizando-se uma revisão bibliográfica
sistemática que, segundo Kitchenham (2004), tem como objetivos consolidar evidências e
resultados obtidos em estudos anteriores sobre o tema de pesquisa, identificar possíveis lacunas
que possam ser exploradas em trabalhos futuros e proporcionar embasamento teórico acerca do
tema gerando conhecimento.
Levy e Ellis (2006) propuseram três etapas para realização de uma pesquisa
bibliográfica, conforme ilustrado na Figura 1, as quais foram utilizadas para realização do
presente trabalho:
a) Entrada: nesta fase foram geradas informações preliminares sobre o tema. Foram
identificados os autores relevantes no tema de pesquisa, levando a uma contextualização do
tema, bem como um histórico sobre o uso da tecnologia desde sua descoberta até os tempos
atuais, conforme foi descrito no Capítulo 1 deste trabalho.
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b) Processamento: esta etapa da revisão bibliográfica objetiva identificar e descrever cada um
dos itens relacionados com o tema de pesquisa. Foram definidos como itens a serem
pesquisados a telecomunicação, veículos elétricos, navios, tração, estrutura dos sistemas
DC, geração, armazenadores de energia, cargas, conversores, barramentos, sistemas de
comunicação, topologias, fluxo de potência, análise em faltas, aterramento, proteção,
controle e regulamentação. Foi então realizada uma busca em livros e periódicos para
conhecer e compreender todos os itens relacionados com a pesquisa. Através do
entendimento do tema abordado foi aplicada a revisão que permitiu descrever cada item
relacionado ao tema e algumas aplicações da tecnologia. Esta etapa é concluída com a
compilação e avaliação dos resultados obtidos na pesquisa, conforme o conteúdo
apresentado no Capítulo 4.
c) Saída: nesta etapa a revisão de literatura foi documentada na presente monografia e uma
síntese dos resultados e considerações finais foram apresentadas no Capítulo 4.
Figura 1 - Procedimentos Adotados na Realização da Pesquisa Bibliográfica do Trabalho
Fonte: Adaptado de Levi e Ellis (2006)
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2.3 Metodologia da Aplicação
No capítulo 4 deste trabalho, foram utilizadas informações geradas na revisão
bibliográfica para realização de uma aplicação que consiste na verificação do fluxo de potência
de três sistemas elétricos em corrente contínua, através de simulação, utilizando como
ferramenta de cálculo o software Matlab.
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3 Sistemas de Distribuição DC
Atualmente, sistemas de distribuição DC podem ser encontrados em diferentes
aplicações. É interessante investigar onde e como são utilizados antes de apresentar as
características desses sistemas.
3.1 Sistemas de Distribuição DC Existentes
Os principais sistemas de distribuição DC são: telecomunicações, veículos elétricos,
navios e tração, que serão apresentados a seguir.
3.1.1 Telecomunicações
O setor de telecomunicações tem emergido como um dos setores mundiais que mais
crescem nos últimos anos, especialmente pela expansão das tecnologias wireless e banda larga.
Como resultado, se tornou um consumidor de potência considerável.
A principal característica de um sistema de telecomunicação é a confiabilidade, para
manter o sistema operando sem interrupção. Portanto, data centers e unidades de informação e
tecnologia são geralmente equipados com UPS (Uninterruptible Power Supplies), também
conhecidos como no-break, que garantem essa característica. No entanto a utilização desses
equipamentos envolve vários níveis de conversões e, consequentemente, perdas, que totalizam
cerca de 20% de seu custo operacional. Por consequência, um sistema externo de distribuição
DC poderia reduzir essa perda e seus respectivos custos. Os Data Centers, por sua, vez já
possuem sistemas de distribuição DC, que variam das tradicionais redes de 48 V às mais
recentes, que operam em 380 V conforme a Figura 2 (ELSAYED, 2015).
Figura 2 – Sistema de Distribuição DC de um Data Center
Fonte: Patterson (2012)
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Os sistemas de telecomunicações podem ser encontrados em praticamente todo lugar e
não apenas em grandes empresas de dados como Facebook e Google. De fato, 99% são
consideradas pequenas e não possuem recursos para desenvolver sistemas de distribuição
eficientes como é feito nas grandes instituições (PATTERSON, 2012).
Recentemente, a utilização de redes DC em 380 V ganhou mais popularidade em Data
Centers devido a diminuição da área de seção transversal dos condutores, que aumentam a
eficiência. Também é factível utilizar cabos longos nessa tensão para otimizar o espaço das
instalações e diminuir a interferência da operação dos equipamentos, como a temperatura de
um banco de baterias, que quando próximo as cargas, demanda maior potência do sistema de
resfriamento (KUMAR, 2017).
3.1.2 Veículos Elétricos
Buscando reduzir as emissões de gás carbônico e visando reduzir os problemas
associados ao esgotamento das reservas de combustíveis fósseis, a indústria automotiva tem
investido em tecnologias que envolvem veículos elétricos, que não poluem a atmosfera
diretamente. Além disso, esses automóveis se encaixam nas perspectivas futuras das smart grids
e integração das fontes de energia renováveis, pois são capazes de enviar potência de suas
baterias de volta para a rede quando houver períodos críticos de carga (MANSOUR, 2014).
Os veículos elétricos podem ser classificados em:
PEV (Plug-in Electric Vehicles): são totalmente elétricos que possuem uma grande bateria
responsável por suprir os motores de tração.
PHEV (Plug-in Hybrid Electric Vehicles): um motor a combustão é colocado em paralelo
a um elétrico, resultando em uma combinação que reduz significantemente o consumo de
gasolina e aumenta a autonomia dos PEV.
Ainda estão sendo investigados os impactos dessa tecnologia nos sistemas elétricos,
visto que as possibilidades para carregar um veículo elétrico ainda não estão regulamentadas e
cada uma gera impactos diferentes, tais como desequilíbrio da rede, acentuação do consumo
durante o período noturno, no qual a maioria dos veículos seriam recarregados e a injeção de
harmônicos (ELSAYED, 2015). As principais opções para recarga são, segundo Shivakumar
(2015):
1) AC Level 1: utiliza uma rede tradicional, com uma corrente para recarregar a bateria que
varia entre 10 e 15 [A]. Utilizando esse método, a autonomia do veículo para esse tipo de
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recarga varia entre 3 a 8 [km] para cada hora recarregando. Todo veículo elétrico é capaz
de carregar dessa forma.
2) AC Level 2: utilizado em sistemas 220 [V] e 240 [V], tipicamente operando com uma
corrente que varia entre 30 e 50 [A], é capaz de entregar uma potência que varia entre 3,3
[kW] e 10 [kW]. Dessa forma, a autonomia da bateria do veículo permite que ele rode de
15 a 30 [km] para cada hora de recarga.
3) DC Fast Charging: um sistema de recarga através de uma rede DC, considerado de recarga
rápida, com capacidade de fornecer uma autonomia da bateria do veículo que permite 15 a
30 [km] de rodagem para cada hora conectado na rede.
4) DC Supercharging: uma opção de recarga de alta velocidade proposta por Tesla, também
através de uma rede DC, que leva a uma autonomia da bateria de até 600 km para cada hora
de recarga.
De acordo com Shivakumar (2015), esses veículos possuem um pequeno sistema de
distribuição DC, com tensão típica de 48 V. É principalmente composto por equipamentos de
eletrônica de potência, motores elétricos e bancos de baterias, ilustrados na Figura 3.
Figura 3 - Sistema de Distribuição Típico de um PHEV
Fonte: Dragicevit (2014)
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Também é possível identificar que, ao utilizar um sistema de distribuição DC para
alimentar a recarga dos veículos elétricos, haverá um nível de conversão a menos, aumentando
a eficiência geral do sistema. Outro aspecto importante é que, por possuírem conversores
bidirecionais, permitem a introdução de um sistema de frenagem regenerativa, conhecido como
KERS (Kinetic Energy Recovery Systems), que pode utilizar a inércia para alimentar as baterias
quando o freio for utilizado para desacelerar o veículo.
3.1.3 Navios
A grande maioria dos navios, assim como os veículos, também possui motores a
combustão, passando pelo mesmo problema do esgotamento das reservas naturais e necessidade
da redução das emissões de gás carbônico. Somando o fato do avanço da eletrônica de potência,
motores de propulsão elétricos ganharam força em uma busca por maior sustentabilidade, com
as principais vantagens listadas por (SULLIGOI, 2016):
1) Dinâmica superior (partida, arraste, variação de velocidade) oferecida pelos motores
elétricos em comparação com os movidos a diesel;
2) Possibilidade de acomodar motores elétricos com maior flexibilidade e instalando eixos
menores, ou mesmo hélices mais externas, capazes de eliminar parte dos lemes e promover
uma maior habilidade para realizar manobras.
3) Maior conforto devido a redução da vibração variando a velocidade, diferente dos motores
térmicos que operam a velocidade constante.
4) Alto nível de automação dos motores, relacionados a redução de custos com equipe de
manutenção.
5) Redução do consumo de energia devido a modulação do sistema de geração, no qual os
motores térmicos operam em seu consumo mínimo, apenas para suprir a demanda.
Com a utilização de motores de propulsão elétricos, os navios passaram então a utilizar
também sistemas elétricos de distribuição, conforme a Figura 4.
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Figura 4 - Sistema Elétrico do Navio Queen Elizabeth II
Fonte: Jin (2016)
Em um primeiro momento, dado a facilidade de conversão e equipamentos disponíveis, os
sistemas elétricos de distribuição em navios eram predominantemente AC. No entanto, alguns
aspectos negativos desse sistema são apontados por Jin (2016):
1) Ao operar em velocidades constantes, os geradores limitam a eficiência do conjunto
2) A arquitetura AC introduz uma não-desejada energia reativa e problemas de qualidade
(desequilíbrio trifásico e correntes harmônicas).
3) Os transformadores de potência ocupam muito espaço à bordo, além de possuírem grande
peso, características que são importantes e valiosas para esses meios de transporte.
Jin (2016) também aponta que, com os recentes avanços da eletrônica de potência, foi
possível implementar sistemas de distribuição DC em navios, resultando nos seguintes
benefícios:
1) Substituição dos grandes transformadores de potência por conversores de potência
compactos.
2) Maior facilidade para conectar ou desconectar uma fonte em paralelo.
3) Eliminação dos problemas harmônicos.
4) Eliminação dos problemas de sincronismo.
5) Eliminação da potência reativa.
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23
3.1.4 Tração
A principal razão da utilização da distribuição DC em sistemas que envolvem tração são
os motores elétricos utilizados para essa aplicação, que são geralmente máquinas de corrente
contínua, devido sua facilidade de controle de tração. Alguns sistemas de tração típicos DC são:
metrôs, bondes e trólebus (ônibus elétrico). Mesmo sistemas de tração que utilizam motores de
indução, possuem sistemas de distribuição DC, pela facilidade de integração, redução do
número de estágios de conversão, maior controlabilidade e eficiência e possibilidade de
introdução de sistema regenerativo (ELSAYED, 2015).
3.2 Estrutura
A estrutura típica de um sistema de distribuição DC, ilustrada na Figura 5, é composta por
geração, armazenadores, cargas, controladores, barramentos e sistema de comunicação, que
serão apresentados a seguir.
Figura 5 - Estrutura Típica de um Sistema de Distribuição DC
Fonte: Magdefrau (2016)
3.2.1 Geração
Diferentemente de sistemas de distribuição AC, a geração de energia para um sistema
de distribuição DC pode ser feita de forma distribuída, ou seja, ao longo da rede, o que não é
tão simples no primeiro caso, pois pode acarretar em instabilidade no sistema, devido a fatores
como a introdução de energia reativa e harmônicos. Outra característica da geração distribuída
é a possibilidade de utilizar recursos renováveis e não renováveis, permitindo explorar melhor
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24
os recursos disponíveis em cada localidade, como o vento, sol, biomassa, dentre outros
(PLANAS, 2015).
Na geração as principais tecnologias produzem energia em corrente alternada, com
exceção dos painéis fotovoltaicos e células de combustível. Para integração dos sistemas de
geração e distribuição, é utilizada eletrônica de potência. A Tabela 1 apresenta as principais
tecnologias utilizadas atualmente na geração de energia bem como suas principais
características.
Tabela 1 - Principais Tecnologias de Geração de Energia Elétrica
Tecnologia Fonte de
Energia
Energia
Gerada Eficiência
Principais
Vantagens
Principais
Desvantagens
Hidrelétricas Água AC 90%~98% -Economicamente viáveis: baixo custo e manutenção
-Impacto ambiental
-Requer área com potencial
hidrelétrico
Turbina a Gás Gás ou Diesel
AC 80%~90% -Grande eficiência
-Muito grande para pequenos
consumidores
-Emissão de gases
Eólica Vento AC 50%~80% -Uma das fontes renováveis mais evoluídas
-Fonte de energia limpa
-Alto custo -Impactos na rede
-Requer sistema de
armazenamento -Requer área com potencial
eólico
Solar Térmica Sol AC 50%~75% -Simples, com baixo custo de manutenção
-Pequena densidade energética -Impacto na fauna
Painéis Fotovoltaicos
Sol DC 40%~45%
-Livres de emissões
-Úteis em diversas
aplicações
-Alto custo
-Requer sistema de
armazenamento
Biomassa Biomassa AC 60%~75%
-Baixo impacto ambiental
-Amplamente disponível ao
redor do mundo
-Perdas significantes
-Alto custo
Células de Combustível
Hidrogênio,
Oxigênio,
Gás Natural
DC 80%~90% -Uma das fontes mais limpas
-Alto custo da matéria prima e infraestrutura necessárias
Fonte: Planas (2015)
3.2.2 Armazenadores de Energia
Segundo Ribeiro (2001), os armazenadores de energia têm papel fundamental em sistemas
de distribuição, melhorando a estabilidade, qualidade, confiabilidade e consequentemente a
performance geral da rede frente a condições adversas. Como a energia armazenada é
geralmente DC, quando aplicados em sistemas de corrente contínua, reduzem níveis de
conversão e, por consequência, as perdas envolvidas. Os principais armazenadores de energia
para sistemas de potência são os supercondutores, supercapacitores, baterias e volantes de
inércia, que serão apresentados a seguir.
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25
3.2.2.1 Supercondutores
A supercondutividade é uma característica descoberta em 1911 e proposta como
tecnologia de armazenamento de energia nos anos 70, devido a suas características de resposta
rápida e grande eficiência (até 95%). Ilustrados na Figura 6, os supercondutores armazenam
energia no campo magnético gerado pelo fluxo de corrente DC em uma bobina supercondutora,
que opera em temperatura criogênica (RIBEIRO, 2001).
Figura 6 – Estrutura de um Supercondutor
Fonte: Ribeiro (2001)
Esse sistema de armazenamento, que já passou a fase de desenvolvimento e se encontra
em testes de demonstração, possui eficiência entre 95 e 98%, com capacidade de
armazenamento de 0,1 a 10 [MW], e vida útil maior que 20 anos (ELSAYED, 2015).
3.2.2.2 Baterias
As baterias são uma das tecnologias consolidadas de armazenamento de energia com
melhor custo benefício no mercado. A energia é armazenada eletroquimicamente, conforme
ilustrado na Figura 7, em diferentes módulos de menor potência conectados em paralelo.
Diferentes elementos químicos são utilizados para compor baterias, desde lítio a chumbo-ácido,
de acordo com a Tabela 2 (ELSAYED, 2015).
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26
Figura 7 – Bateria de Chumbo-Ácido
Fonte: QNint - Química Nova Interativa - Sociedade Brasileira de Química
Tabela 2 – Composições Químicas de Baterias e suas Características
Composição Eficiência [%] Capacidade [MW] Vida Útil [Anos]
Chumbo - Ácido 70-90 40 5-15
Níquel – Cádmio 60-65 40 10-20
Sódio - Enxofre 80-90 8 10-15
Lítio 85-90 1 5-15
Fonte: Elsayed (2015)
3.2.2.3 Supercapacitores
São capacitores com propriedades construtivas diferentes, demonstradas pela Figura 8,
que o tornam capazes de armazenar grande quantidade de cargas em altos níveis de tensão.
Diferentes materiais são utilizados, resultando em diferentes capacitâncias, densidades de
energia e custos. Sua principal utilização é para grandes níveis de potência durante curto
momentos de tempo em que há queda de energia no sistema (RIBEIRO, 2001).
Figura 8 – Propriedades Construtivas de Capacitores, à esquerda e Ultracapacitores à direita
Fonte: www.engineering.com
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27
Essa tecnologia já está disponível no mercado, com as seguintes características:
eficiência de 90-95%, capacidade de armazenamento de até 0,3 [MW] e vida útil maior que 20
anos (ELSAYED, 2015).
3.2.2.4 Volantes de Inércia
Volantes de inércia (Figura 9) podem ser utilizados para armazenar energia em sistemas
que possuem máquinas elétricas rotativas. A energia é transferida para o volante quando a
máquina opera como motor (o volante de inércia acelera), carregando a unidade de
armazenamento. São geralmente encontrados em UPS, equipamentos utilizados para suprir
energia de forma ininterrupta durante um breve período de falha na geração (RIBEIRO, 2001).
Figura 9 – Esquema de Aplicação de Volante de Inércia para Rede AC
Fonte: Ribeiro (2001)
Conforme a Figura 9, os volantes de inércia passam por dois níveis de conversão
(AC/DC e DC/AC), através de inversores, para serem integrados a redes AC. Com isso,
verifica-se que sua integração em sistemas DC acarretaria em uma diminuição dos níveis de
conversões, aumentando sua eficiência.
As características típicas de volantes de inércia são: eficiência entre 93-95%, capacidade
de armazenamento de até 25 [MW] e vida útil de até 15 anos (ELSAYED, 2015).
3.2.3 Cargas
A maioria das cargas atuais, sobretudo as baseadas em eletrônica (computadores,
televisores, dentre outras) envolvem estágios DC. Portanto, utilizá-las em sistemas de
distribuição DC aumenta sua eficiência (JUSTO, 2013).
Essas cargas podem ser: potências constantes, lineares ou não lineares (BLIJ, 2017).
Para o primeiro caso, são modeladas pela equação (1), apresentada a seguir.
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28
Icarga =Vcarga
Rcarga (1)
Onde
Icarga = Corrente da carga [A]
Vcarga = Tensão da carga [V]
Rcarga = Resistência da carga [Ω]
Já para cargas lineares, tem-se um modelo diferente, conforme a equação (2) a seguir.
Icarga = I0 +Vcarga
Rcarga (2)
Onde
Icarga = Corrente da carga [A]
I0 = Corrente mínima da carga [A] Vcarga = Tensão da carga em [V]
Rcarga = Resistência da carga [Ω]
Para o terceiro caso, são necessárias modelagens especiais, de acordo com a dinâmica
da carga.
3.2.4 Conversores
Os três principais componentes de redes de distribuição DC (geradores, armazenadores
e cargas) são conectados à rede através de conversores de potência. Há diferentes topologias,
que dependem da conversão desejada (AC/DC, DC/DC e DC/AC).
A conversão AC/DC para esses sistemas pode ser classificada em retificadores
controlados e conversores AFE (Active Front End), ilustrados na Figura 10, e topologias
especiais (KUMAR, 2017).
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29
Figura 10 – a) Retificadores de Onda Completa Controlados b) Conversores AFE
Fonte: Kumar (2017)
Os retificadores controlados são unidirecionais, podendo ser monofásicos ou trifásicos.
Sua corrente é distorcida por harmônicos de pequena ordem, que podem ser solucionados com
filtros passivos.
Os conversores Active Front End são conversores de potência bidirecionais e produzem
sinais senoidais de alta qualidade, ou seja, com pequena distorção harmônica, de cerca de 3 a
5% se comparado com os 25-30% dos retificadores convencionais. Esse sistema possui seis
chaveadores ativos de potência, que são transistores do tipo Insulated Gate Bipolar Transistor
– IGBT e seu controle é baseado em PWM - Pulse Width Modulation, em que o sinal de saída
é um trem de pulsos iguais com largura controlada (JUSTO, 2013).
Segundo Kumar (2017), uma consideração importante é a conexão de retificadores em
paralelo, que se tiver filtros passivos diferentes, acaba gerando uma corrente de circulação entre
os capacitores, interferindo na corrente que vai para a carga. Foi realizada uma simulação no
software Simulink (Figura 11) para demonstrar o efeito dos filtros capacitivos diferentes.
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30
Figura 11 – Esquema de Conexão de dois Retificadores Monofásicos de Onda Completa com
Filtro Capacitivo em Paralelo no Software Simulink
Fonte: o autor
Os dados de entrada da simulação estão dispostos na Tabela 3.
Tabela 3 – Dados da Simulação de dois Retificadores Monofásicos de Onda Completa com
Filtro Capacitivo em Paralelo no Software Simulink
Elementos do Circuito Primeira Simulação Segunda Simulação
Capacitor 1 [μ F] 470 470
Capacitor 2 [μ F] 470 10
Resistência [Ω] 100 100
Fonte [V] 120√2 120√2
Transformador Ideal 14:1 14:1
Tempo de Simulação [s] 0,1 0,1
Frequência [Hz] 60 60
Fonte: o autor
Os resultados obtidos da simulação estão demonstrados na Tabela 4.
Tabela 4 – Resultado da Simulação de dois Retificadores Monofásicos de Onda Completa
com Filtro Capacitivo em Paralelo Software Simulink
Simulação Corrente na Carga [A] Corrente de Circulação [A]
Primeira 10,16 0,05
Segunda 9,80 0,244
Fonte: o autor
Nas conversões, são também utilizados Choppers Buck Boost, que são conversores
(DC/DC) abaixadores ou elevadores de tensão e transformadores de estado sólido (Solid State
Transformers – SST), cujas topologias estão apresentadas na Figura 12.
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31
Figura 12 - a) Chopper Buck Boost b)Transformador de Estado Sólido
Fonte: Kumar (2017)
Conforme ilustrado na Figura 12, os transformadores de estado sólido são compostos
por retificadores em uma ponta, que podem ser AFEs, conectados a um primeiro barramento
DC, seguido de conversores DC/DC, que dão sequência a outro barramento DC e, por fim,
conectado a Inversores, que transformam o sinal para AC novamente. Dada sua construção,
possuem uma característica chamada de três portas, pois podem integrar uma porta AC de alta
tensão em uma ponta com outra de baixa tensão na outra ponta, além de uma DC através dos
barramentos DC em seu interior. Essa característica os torna adequado para sistemas de
distribuição DC.
3.2.5 Barramentos
A potência que flui em sistemas de distribuição DC pode ser distribuída de duas formas:
barramento monopolar ou barramento bipolar.
3.2.5.1 Barramento Monopolar
Em um barramento monopolar, também conhecido como unipolar, as fontes e as cargas
são conectadas através dos polos positivo e negativo do barramento, conforme a Figura 13.
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32
Figura 13 - Barramento Monopolar
Fonte: Kumar (2017)
Em geral, os barramentos monopolares são simples de serem implementados, e não há
possibilidade de haver assimetria entre os polos. No entanto, nesse modelo não há redundância
e mesmo uma pequena falta pode desligar o sistema inteiro dependendo da topologia do sistema
(JUSTO, 2013).
Nessa configuração, a potência é transmitida pelo barramento em uma tensão específica.
Portanto, esse valor é um elemento chave para o sistema. Maiores níveis de tensão aumentam
a capacidade de transmissão de potência, mas demandam mais conversores DC/DC para
alcançar a tensão das cargas conectadas, o que pode elevar os riscos de segurança do sistema.
Já níveis menores de tensão limitam a capacidade de transmissão do sistema a pequenas
distâncias (KUMAR, 2017).
3.2.5.2 Barramento Bipolar
Também chamado de três fios, o barramento bipolar possui os elementos conectados
através de um polo, que pode ser positivo ou negativo e uma terceira linha neutra conforme a
Figura 14.
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33
Figura 14 - Barramento Bipolar
Fonte: Kumar (2017)
Esse tipo de barramento permite diferentes níveis de tensão: +V, -V ou 2V. Além disso,
em situações de faltas, a energia pode continuar sendo transmitida pelos outros dois fios e um
conversor auxiliar. Com isso, a confiabilidade da rede é ampliada e oferece maior flexibilidade
para conexão das cargas na rede. Por outro lado, essa mesma flexibilidade pode desbalancear o
sistema devido a uma má distribuição de cargas. Com isso, um circuito balanceamento ou
sistema de controle para os conversores do lado da fonte é altamente recomendado (JUSTO,
2013 e KUMAR, 2017).
3.2.6 Sistema de Comunicação
Em sistemas de distribuição DC, o subsistema de informação (sensores) é diferente dos
tradicionais utilizados em sistemas AC. No entanto, a infraestrutura de comunicação pode ser
utilizada em ambos sistemas. A seleção da tecnologia depende da distância da aplicação. A
Figura 15 apresenta as diferentes categorias, descritas a seguir, e suas possíveis tecnologias
(KUMAR, 2017).
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34
Figura 15 - Diferentes Estruturas de Comunicação e Tecnologias em Sistemas de Distribuição
DC
Fonte: Kumar (2017)
1) Home Area Networks – HAN: também chamado de LAN (Local Area Network), são redes
de comunicação de dados que não necessitam alta frequência para transmissão, mas
possuem um alcance limitado a cerca de 100 [m]. Através de 100 [kbps], esses dados podem
ser transmitidos por tecnologias diferentes, chamadas de protocolos, como PLC (Power
Line Comunication), que é a comunicação através da rede elétrica, Ethernet, que é a
comunicação através de uma linha com cabos auxiliares, ou mesmo com tecnologias de
transmissão de dados sem fio, como Bluetooth, WiFi (Wireless Fidelity) ou ZigBee (Zigbee
Alliance).
2) Neighborhood Area Netowrks – NAN: se houver necessidade de uma maior cobertura da
da rede de dados, a frequência de transmissão também precisará ser aumentada (100 [kbps]-
1 [Mbps]). Essa nova frequência permitirá um alcance entre 100 [m] e 10 [km] e poderá ser
feita através das tecnologias PLC, ZigBee, WiFi, DSL (Digital Subscriber Line), Cellular
(Cellular Neural Networks) ou WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave
Access).
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35
3) Wide Area Netowrk – WAN: da mesma maneira, se a cobertura da rede de dados extrapolar
um alcance de 10 [km], a frequência na transmissão deverá ser ainda maior (1 [Mbps] –
1[Gbps], o que só é possível nos seguintes protocolos: fibra ótica, WiMAX, PLC e Cellular.
3.3 Topologias
Como já visto anteriormente, sistemas de distribuição DC vem sendo adotados em
diferentes aplicações, com características diferentes, mas com objetivos comuns: sistemas
robustos e confiáveis. Essas características são influenciadas pela topologia da rede, que pode
trazer vantagens ou desvantagens (SULLIGOI, 2016).
Segundo Kumar (2017), atualmente, as principais configurações, que serão descritos a
seguir, são:
Radial
Anel
Malhas
Zonas
3.3.1 Configuração Radial
Nesta configuração, ilustrada no diagrama da Figura 16, há uma linha principal, que é o
barramento, no qual são conectados os elementos de geração, cargas e armazenadores. Esse
barramento pode ser unipolar ou bipolar, dependendo da aplicação e os requisitos das cargas
(SULLIGOI, 2016).
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36
Figura 16 - Configuração Radial de um Sistema de Distribuição DC
Fonte: Kumar (2017)
Nessa topologia, é possível realizar a interconexão série ou paralela com outros
barramentos, dependendo apenas do layout físico da aplicação. Com isso, em caso de faltas nos
ramos, é possível isolar apenas o afetado e, portanto, permitindo que os demais barramentos
operem normalmente aumentando a confiabilidade do sistema (KUMAR, 2017).
Nessa configuração, outras vantagens são:
Simplicidade
Diferentes níveis de tensão (Bipolar)
Capacidade de compartilhamento entre redes vizinhas
Em termos de desvantagens, quando há conexão de sistemas com arquiteturas radiais
em série, as faltas no barramento principal afetarão todo o sistema, pois o barramento afetado
será isolado do sistema, isolando também os componentes conectados a ele, impossibilitando o
compartilhamento de potência em toda a rede (SULLIGOI, 2016 e KUMAR, 2017).
3.3.2 Configuração Anel
Segundo Kumar (2017), para evitar a limitação da Configuração Radial, um sistema de
distribuição em anel pode ser utilizado. Essa arquitetura é apresentada na Figura 17.
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37
Figura 17 - Configuração em Anel de um Sistema de Distribuição DC
Fonte: Kumar (2017)
Disjuntores DC de ação rápida são colocados em ambos terminais de cada barramento
oferecendo capacidade para isolar o barramento faltoso do sistema. Um dispositivo IED
(Intelligent Electrionic Device) é utilizado para controlar cada barramento e sua interconexão
com os demais barramentos (SULLIGOI, 2016 e KUMAR, 2017).
3.3.3 Configuração em Malhas
Os sistemas de distribuição DC em malhas, também conhecidos como redes multi-
terminais, permitem a conexão de mais de um sistema externo. Essa configuração está ilustrada
na Figura 18.
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38
Figura 18 - Configuração em Malhas de um Sistema de Distribuição DC
Fonte: Kumar (2017)
É uma configuração mais confiável se comparada com as redes radiais e em anel, pois
permite a conexão de geradores ao longo de várias partes do sistema. Arquiteturas similares são
utilizadas em sistemas DC de alta tensão (High Voltage Direct Current - HVDC), fazendas
eólicas e subtransmissão subterrânea (SULLIGOI, 2016).
3.3.4 Configuração em Zonas
A confiabilidade de uma rede de distribuição DC pode ainda ser melhorada ao introduzir
uma arquitetura em Zonas. Nessa configuração, o sistema é subdividido em um número de
zonas, cada uma com dois barramentos redundantes, conforme a Figura 19.
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39
Figura 19 - Configuração em Zonas de um Sistema de Distribuição DC
Fonte: Kumar (2017)
Devido a redundância de barramentos e os vários elementos de potência conectados,
essa topologia promove uma melhor confiabilidade para as cargas, que podem ser supridas
através de alguma das fontes de energia disponíveis (KUMAR, 2017).
Como essa arquitetura é modular, permite uma maior possibilidade de manobras, sendo
ideal para o planejamento de sistemas de distribuição. No entanto, energia suprida de
barramentos múltiplos simultaneamente pode dificultar o controle da rede (SULLIGOI, 2016).
3.4 Fluxo de Potência
As correntes elétricas significam o fluxo, ou a maneira como os elétrons se movimentam
dentro de um condutor. Existem os fluxos de corrente contínua e alternada, chamados de DC e
AC, respectivamente. A Figura 20 ilustra as formas de ondas típicas das correntes.
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40
Figura 20 - Formas de Ondas Típicas DC e AC
Fonte: o autor
Na corrente DC, o fluxo no qual os elétrons se movimentam em um condutor é
unidirecional, de um polo positivo para outro negativo, de maneira ordenada e uniforme. Já na
AC, há uma alternância no sentido dos elétrons, alternando também sua magnitude de forma
cíclica, dada certa frequência. Em um sistema DC, no qual não há oscilação, a frequência é
zero.
Essa variação dos sinais AC é fundamental para o princípio de funcionamento dos
transformadores e máquinas elétricas AC, tais como motores e geradores, que são os
dispositivos comuns conectados na rede elétrica. Como já citado anteriormente, devido a
facilidade de abaixar ou aumentar as tensões com o uso dos transformadores, os sistemas AC
são de simples implantação frente aos DC (PLANAS, 2015).
3.4.1 Fluxo de Potência AC
O modelo de redes AC é uma representação dos sistemas de potência amplamente
utilizados ao redor do mundo alimentando variadas cargas, tais como motores industriais,
iluminação, computadores, aparelhos de ar condicionado, dentre outros. No entanto, essas
cargas não são calculadas individualmente. São feitos cálculos pelas distribuidoras de energia
baseados em médias, de acordo com as unidades consumidoras. Outros dados importantes são
referentes aos parâmetros das linhas de distribuição e equipamentos envolvidos. Em geral, os
dados das cargas utilizados para cálculos de fluxo de potência são os dispostos na Tabela 5
(STARKE, 2008):
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41
Tabela 5 - Elementos Para Cálculo do Fluxo de Potência AC
Linhas de Distribuição Impedância de Sequência Zero
Impedância de Sequência Positiva
Cargas
Potência Aparente
Fator de Potência
Tensão Nominal
Transformador
Impedância de Sequência Zero
Impedância de Sequência Positiva
Potência Nominal
Relação de Transformação
Banco de Capacitores Impedância de Sequência Zero
Impedância de Sequência Positiva
Fonte: Starke (2008)
A metodologia para cálculo do fluxo de potência, conforme Starke (2008), é a utilização
da Lei de Ohm, na forma matricial, dada por (3):
[I] = [Y] · [V] (3)
Na equação (3), I representa as correntes, em Amperes, Y a matriz de admitâncias, em
Siemens e V as tensões, em Volts. A matriz de admitâncias representa os diferentes valores de
admitâncias envolvidas entre os barramentos de um sistema de potência, tais como os citados
na Tabela 5.
Considerando um exemplo de distribuição para três barramentos, tem-se o diagrama da
Figura 21.
Figura 21 - Exemplo de Sistema Elétrico com Três Barramentos
Fonte: Starke (2008)
Na Figura 21, cada linha poderia ser considerada como um transformador ou uma linha
de distribuição. Em ambos casos, a Figura 22 mostra o modelo de admitâncias do sistema.
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42
Figura 22 - Representação das Admitâncias de um Sistema Elétrico com 3 Barramentos
Fonte: Starke (2008)
Utilizando a Figura 22 para obter equações das correntes injetadas em cada barramento
em termos das tensões e admitâncias em série e paralelo, tem-se as equações (4), (5) e (6):
𝐽13 + 𝐽12 = (𝑌𝑠ℎ𝑎 + 𝑌1 + 𝑌2)𝑉1 + (−𝑌1)𝑉2 + (−𝑌2)𝑉3 (4)
𝐽21 + 𝐽23 = (−𝑌1)𝑉1 + (𝑌𝑠ℎ𝑏 + 𝑌1 + 𝑌3)𝑉2 + (−𝑌3)𝑉3 (5)
𝐽31 + 𝐽32 = (−𝑌2)𝑉1 + (−𝑌3)𝑉2 + (𝑌𝑠ℎ𝑐 + 𝑌3 + 𝑌2)𝑉3 (6)
Manipulando as equações (4), (5) e (6), obtém-se a matriz de admitâncias, dada por (7).
[J1
J2
J3
] = [Ysha + Y1 + Y2 − Y1 − Y2 −Y1 Yshb + Y1 + Y3 − Y3
−Y2 − Y3 Yshc + Y3 + Y2
] 𝑥 [V1
V2
V3
] (7)
Como as tensões e correntes são valores desconhecidos, é necessário adotar uma
segunda equação para solução do sistema, dada por (8):
Ii = [(P+jQ)
V]
∗
(8)
Combinando a equação (8) com a Lei de Ohm, tem-se a equação (9):
[Y] ∙ [V] = [(P+jQ)
V]
∗
(9)
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43
A equação (9) contém variáveis de potência ativa (P) e reativa (Q), incluindo magnitude
e ângulo da tensão e a admitância do sistema. Considerando as potências geradas (𝑆𝑘𝑔
) e
consumidas (𝑆𝑘𝑐) em um nó K do sistema, obtém-se a equação (10):
[Yk] · [Vk] = [Sk
g−Sk
c
Vk]
∗
(10)
E, por fim, para um barramento genérico do sistema, faz-se um somatório de toda a
potência que está entrando ou saindo do barramento através de (11):
∑ [Ykj] · [Vj]nj=1 = [
Skg
−Skc
Vk]
∗
(11)
Dessa forma, cada barramento do sistema corresponde a um par de equações complexas,
referentes a parte real e imaginária da equação (11), dando origem as equações gerais do fluxo
de potência AC, dadas por (12) e (13):
Pjk = ∑ |Ykj| · |Vk| · |Vj| · cos (θk − θj − δkj)nj=1 (12)
Qjk = ∑ |Ykj| · |Vk| · |Vj| · sen (θk − θj − δkj)nj=1 (13)
Onde
Pjk = Potência Ativa [W]
Qjk = Potência Reativa [var]
Ykj = Admitância entre os barramentos k e j [S]
Vk = Tensão barramento k [V]
Vj = Tensão do barramento j [V]
θk = Ângulo da tensão do barramento k
θj = Ângulo da tensão do barramento j
δkj = Ângulo da admitância entre os barramentos k e j
n = Número de barramentos
Para a realização do cálculo do Fluxo de Potência AC do sistema, é necessário
especificar alguns valores para que seja possível calcular os demais, seguindo as possibilidades
da Tabela 6.
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44
Tabela 6 - Possibilidades de Cálculo do Fluxo de Potência AC
Tipo de Barramento Especificado Calcular
Referência
Pkc, Qk
c
Vk = 1 pu
θk = 0º
Pkg, Qk
g
Carga Pk
c, Qkc
Pkg, Qk
g
Vk, θk
Geração/Tensão Controlada Pkg, Pk
𝑐, Qkc , Vk Qk
g, θk
Fonte: Starke (2008)
Onde
Pkg, = Potência Ativa Gerada [W]
Qkg
= Potência Reativa Gerada [var]
Pkc = Potência Ativa Consumida [W]
Qkc = Potência Reativa Consumida em [var]
Vk = Tensão do Sistema [V]
θk = Ângulo da Tensão
Ao aplicar as expressões gerais com os dados especificados, serão obtidas equações não-
lineares, as quais necessitam de métodos iterativos para resolução, como os métodos de Gauss-
Seidel ou Newton-Raphson, mas que nem sempre garantem uma solução convergente
(STARKE, 2008).
3.4.2 Fluxo de Potência em Corrente Contínua
De acordo com Starke (2008), para o cálculo do fluxo de potência em corrente contínua,
são utilizadas as mesmas expressões gerais do fluxo de potência AC com algumas alterações.
Os seguintes elementos são desconsiderados:
1) A potência reativa (Q)
2) Os elementos reativos da matriz Y
3) Os ângulos das tensões
A potência para um sistema em corrente contínua é dada por:
P = V · I (14)
Combinando as equações (12) e (14) e desconsiderando os elementos citados, obtém-se
a expressão da potência para cada barramento, dada por (15).
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45
Pi = Vi ∑ Vj · Yijnj=1 (15)
Como nesse caso alguns elementos foram desconsiderados, as possibilidades de valores
especificados e a serem calculados também são modificados, conforme a Tabela 7 a seguir.
Tabela 7 - Possibilidades de Cálculo do Fluxo de Potência em Corrente Contínua
Tipo de Barramento Especificado Calcular
Referência Pk
c,
Vk = 1 pu
Pkg
Carga Pk
c, Pkc
Pkg, Pk
g
Vk,
Fonte: Starke (2008)
Onde
Pkg, = Potência Ativa Gerada [W]
Pkc = Potência Ativa Consumida [W]
Vk = Tensão do Sistema [V]
Deve-se adotar um barramento do sistema como referência, que terá tensão e potência
consumida constantes e potência gerada a ser calculada. Os demais barramentos do sistema
serão definidos como de carga, com potências gerada e consumida constantes e tensões a serem
calculadas.
Na solução, será necessário um método iterativo. Utilizando o método de Gauss-Seidel
(Bortoni, 1993), combinando as equações (3), (14) e (15), obtem-se a equação (16), que
expressa a tensão em cada barramento.
Vi =1
Yii· (
Pi
Vi− ∑ Yij · Vj
nj=1j≠i
) (16)
Na equação (16), os valores de Y serão conhecidos da matriz de admitâncias e Pi será
especificado, de acordo com a potência das cargas e geradores em cada barramento. Vale
ressaltar que, como o primeiro barramento será adotado como referência, não terá uma
expressão para tensão, que será fixa. Portanto, a equação (16) será aplicada apenas para os
demais barramentos. Para iniciar o cálculo é necessário adotar valores iniciais para as demais
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46
tensões. Com isso, será possível calcular os novos valores de V, que serão inseridos na equação
(17), de forma iterativa.
Vi𝑘+1 =
1
Yii· (
Pi
Vi𝑘 − ∑ Yij · V𝑗
𝑘nj=1j≠i
) (17)
Quando os valores de V convergirem após um certo número de iterações, será possível
calcular os fluxos de potência de todos os ramos do sistema através da equação (18):
Pij = Yij · (Vi · Vj − Vi2) (18)
3.4.3 Comparação AC vs DC
Segundo Starke (2008), em termos de equações de potência básicas para sistemas AC e
DC, há uma certa diferença. Para um sistema AC, a potência trifásica é calculada através da
equação (19), dada a seguir:
P3ϕ = 3 · Vrms · Irms cos (φ) (19)
Onde
P3ϕ = Potência trifásica [W]
Vrms = Tensão Eficaz [V]
Irms = Corrente Eficaz [A]
φ = Angulo do Fator de Potência
Comparando as equações (14) e (19), para mesmos valores de tensão e corrente eficaz,
é possível verificar a expressão dada por (20):
P3ϕ
PDC= 3 · cos (φ) (20)
A expressão (20) indica que, dependendo do angulo do fator de potência, um sistema
trifásico AC pode ter até três vezes mais potência que um DC.
Em outra comparação, considerando as perdas em sistemas AC trifásico e DC
(monopolar, com dois cabos), tem-se, respectivamente, as equações (21) e (22):
P3ϕ = 3 · IAC rms² · RAC (21)
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47
PDC = 2 · IDC² · RDC (22)
Relacionando-as, obtém-se a expressão (23):
IAC rms
IDC= √
2
3= 0,8164 (23)
A equação acima demonstra que se os valores da resistência forem os mesmos, é notável
um ganho na utilização da corrente contínua, visto que ela pode ser 1,22 vezes maior que a
alternada, com os mesmos valores de perdas.
Vale ressaltar que, de acordo com Starke (2008), as perdas de transmissão em um
sistema elétrico são apenas uma pequena parte das perdas totais, as quais sofrem maior impacto
de dispositivos conversores de potência.
3.5 Análise em Falta
Com a necessidade das redes de distribuição DC serem multi-terminais, conversores são
necessários. Quando uma falta ocorre, o filtro dos conversores, que servem para melhorar a
qualidade do sinal de saída, perdem controle e acabam alimentando a falta com a energia
armazenada. Portanto, as condições de curto circuito são altamente dependentes das topologias
dos conversores (PARK, 2013).
Um segundo aspecto relevante em cenários de falta é o comportamento dos geradores:
se eles vão alimentar a falta ou não. Essa questão depende não só da topologia dos conversores,
mas como também da rede e do esquema de proteção (PARK, 2013).
A Figura 23 ilustra os dois tipos de faltas a serem consideradas em sistemas de
distribuição DC: faltas entre linhas e da linha para a terra, sendo a última a mais comum, que
ocorre sempre que existe um caminho do polo positivo ou negativo para a terra. Faltas podem
ocorrer sempre que houver uma falha na isolação dos equipamentos ou condutores.
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48
Figura 23 - Faltas em sistemas de distribuição DC: a) linha para terra b) entre linhas
Fonte: Park (2013)
As faltas entre linhas ocorrem quando há um caminho condutor entre os polos positivo
e negativo e, apesar de serem mais difíceis de ocorrer, são potencialmente mais perigosas, por
serem de difícil detecção. São geralmente vistas pelos equipamentos de controle e proteção
como uma carga, que pode ser alimentada pela potência total do sistema. Outro aspecto
importante a ser considerado é a interrupção dos arcos criados pelas correntes de falta, que não
são interrompidos com os disjuntores tradicionais utilizados em sistemas AC. Os equipamentos
existentes atualmente para realizar essa função são disjuntores e fusíveis DC, que são
equipamentos robustos e de alto custo (PARK, 2013).
Quando ocorre uma falta, a corrente da linha tende a se dividir entre corrente de carga e
corrente de falta, conforme a equação (24) a seguir:
ilinha = ifalta + icarga (24)
A magnitude da corrente de falta depende da localização da falta e resistência de seu
caminho. Se a impedância da falta for pequena, como por exemplo em uma falta linha para terra
sólida, a polaridade da corrente no terminal receptor pode se inverter, fazendo com que as cargas
conectadas não sejam supridas.
Segundo Schlabbach (2008), os seguintes elementos podem contribuir para a corrente
de falta:
1) Capacitores de Alisamento: utilizados em sistemas de distribuição DC para alisar o sinal
de saída dos retificadores, os capacitores de alisamento possuem corrente de falta que se
comporta conforme o gráfico da Figura 24.
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49
Figura 24 – Corrente de Curto Circuito de um Capacitor
Fonte: Schlabbach (2008)
2) Armazenadores de Energia: os elementos armazenadores de energia de sistemas de
distribuição DC também contribuem para a magnitude do curto circuito, com um
comportamento ilustrado na Figura 25.
Figura 25 – Corrente de Curto Circuito de uma Bateria de Chumbo-Ácido
Fonte: Schlabbach (2008)
3) Retificadores: utilizados para conversão AC/DC, contribuem para a falta com uma corrente
de curto-circuito que depende da topologia de seu filtro, conforme visto na Figura 26.
Figura 26 - Corrente de Curto Circuito de um Retificador Trifásico em Ponte
Fonte: Schlabbach (2008)
4) Motores DC com Excitação Independente: sua contribuição para faltas varia de acordo
com o momento de inércia, ou seja, se está parado ou em funcionamento, com uma corrente
de curto circuito que possui comportamento ilustrado na Figura 27.
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50
Figura 27 Corrente de Curto Circuito de um Retificador em Ponte Trifásico
Fonte: Schlabbach (2008)
Combinando as diferentes contribuições das correntes de curto circuito dos elementos
mencionados, chega-se a uma aproximação da corrente de curto circuito de um sistema que os
contêm, conforme a Figura 28.
Figura 28 – Aproximação da Corrente de Curto Circuito de um Sistema DC Composto por
Capacitor de Alisamento, Bateria de Chumbo-Ácido, Retificador Trifásico em Ponte e Motor
DC com Excitação Independente
Fonte: Schlabbach (2008)
Para uma análise completa de um sistema, devem ser analisados outros elementos que
também contribuem para a corrente de curto circuito, tais como o tipo de aterramento, cargas e
redes AC interligadas ao sistema em questão (SCHLABBACH, 2008).
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51
3.5.1 Aterramento
Visando a segurança na operação de qualquer sistema de potência é importante realizar
o aterramento da fonte e dos equipamentos elétricos conectados. Um sistema de aterramento
efetivo pode diminuir os riscos de choques elétricos. O aterramento de redes DC é mais
complexo que o das redes AC devido ao fato da integração de novas tecnologias de eletrônica
de potência.
O tipo de aterramento também tem impacto nas faltas. A Tabela 8 resume os tipos de
aterramento mais comuns de sistemas de ditribuição DC e os efeitos sobre o sistema:
Tabela 8 - Aterramento e Faltas em Sistemas DC
Tipos de Sistemas
Uma Polaridade Aterrada Fonte Aterrada Sistema Isolado
Tipos de Faltas
Falta A
-Isc máxima em U
-Afeta apenas a polaridade aterrada -Todos os polos protegidos devem ter
capacidade de interrupção maior que
Isc máxima em U
-Isc máxima em U/2 -Afeta apenas o polo positivo
-Todos os polos positivos devem ter
capacidade de interrupção maior que Isc máxima em U/2
-Sem Consequências
-A falta deve ser indicada por um
equipamento de monitoramento e mitigada
Falta B
-Isc máxima em U
-Todos os polos aterrados devem ter capacidade de interrupção maior que
Isc máxima em U
-Se ambos os polos são aterrados, cada um deve ter capacidade de interrupção
maior que Isc máxima em U
-Isc máxima em U -Afeta ambas polaridades
-Todos os polos devem ter capacidade
de interrupção maior que Isc máxima em U
-Isc máxima em U -Afeta ambas polaridades
- Todos os polos devem ter capacidade
de interrupção maior que Isc máxima em U
Falta C Não há consequências
-Mesmas consequências da Falta em A
-Afeta apenas o polo negativo
-Todos os polos negativos devem ter capacidade de interrupção maior que
Isc máxima em U/2
-Sem Consequências
-A falta deve ser indicada por um equipamento de monitoramento e
mitigada
Dupla
Falta A e D ou C e
E
Dupla Falta não é possível. Dupla Falta não é possível.
-Isc máxima em U
-Polaridade positiva (caso A e D) ou
negativa (C e E) é afetada - Todos os polos devem ter capacidade
de interrupção maior que Isc máxima
em U
Piores Cenários
Falta A e Falta B Falta B Dupla falta A e D ou C e E
Isc = Corrente de Curto Circuito [A] U = Tensão [V]
Fonte: Schneider Electric (2017)
Apesar dos conceitos de sistemas de distribuição DC serem discutidos em diversas
literaturas, algumas questões como a proteção ainda permanecem com poucas soluções. Um
sistema de distribuição DC é geralmente projetado para ser integrado a alguma fonte AC ou
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52
DC, ou mesmo a uma rede AC, com objetivo de aumentar a disponibilidade de potência na rede
(MOBAREZ, 2017).
Os conversores de potência utilizados em redes DC possuem capacitores de alta
frequência em seus filtros de interferência eletromagnética, capazes de proporcionar um
caminho para as correntes de falta entre a linha e a terra, afetando a operação do sistema mesmo
para sistemas isolados (KUMAR, 2017).
3.6 Proteção
A proteção é um dos tópicos mais desafiadores e cruciais em sistemas de distribuição
DC. Foi negligenciada até agora visto que os focos dos estudos de proteção eram direcionados
à tecnologia AC, que é amplamente utilizada nas redes existentes. No entanto, acompanhando
a ascensão dos sistemas de distribuição DC, pesquisas recentes começaram a abordar esquemas
de proteção para esse tipo de rede, pois possuem efeitos decisivos sobre o sistema (ELSAYED,
2015).
Em sistemas DC, os arcos elétricos gerados na abertura de um circuito do sistema
tendem a ser mais severos a medida que a tensão é maior, gerando riscos de faíscas e choques
elétricos. Isso deve ser levado em conta tanto nos equipamentos de proteção, como nos
equipamentos que serão conectados à rede (MACKAY, 2015).
Alguns exemplos de equipamentos utilizados na proteção de redes DC são: fusíveis,
disjuntores de caixa moldada, disjuntores de potência, disjuntores de estado sólido e chaves
estáticas. No caso dos disjuntores de redes DC, o sistema de extinção do arco formado na
abertura do circuito é diferente do AC, pois a corrente não passa pelo valor zero. As melhores
soluções ainda estão sendo investigadas em pesquisas.
Existem quatro categorias de proteção nesses sistemas:
1) Proteção das Cargas
2) Proteção de Conversores
3) Proteção de Geradores
4) Proteção do Barramento
A proteção do sistema pode ser centralizada ou descentralizada. No primeiro caso, é
baseada na tensão e requer um sistema de proteção centralizado, que é localizado na central de
controle. Já no segundo caso, cada unidade das diferentes categorias possui seu próprio relé,
tornando-se mais eficiente em faltas entre linhas ou entre linha e terra, mas limitado quando há
pequena impedância (JUSTO, 2013).
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53
Segundo Elsayed (2015), o esquema de proteção deve ser baseado nos seguintes
parâmetros:
1) Sensibilidade: está relacionado ao nível da corrente que sensibilizará o relé de proteção,
que enviará sinal para que os disjuntores atuem.
2) Seletividade: há diferentes relés de proteção dentro de um sistema elétrico, alocados em
diferentes áreas. A seletividade diz respeito a atuação do dispositivo de proteção mais
próximo da falta, diminuindo a porção inoperante do sistema.
3) Tempo de resposta: o tempo de resposta dos dispositivos de proteção é fundamental para
que eles atuem, de forma coordenada, antes que haja danos aos equipamentos conectados
ao sistema.
4) Nível de segurança: é o nível para o qual os equipamentos de proteção estarão aptos a atuar
em cenários de faltas.
A forma de aterramento, o número de unidades geradoras e a corrente de curto-circuito,
que são modelados diferentemente de acordo com cada sistema, também são fundamentais para
elaboração da proteção. Por outro lado, as principais dificuldades são a falta de regulamentação
e a experiência prática (ELSAYED, 2015).
A operação de redes DC envolve o uso de grandes capacitores e baterias, que melhoram
a estabilidade do sistema. No entanto, esses elementos aumentam as correntes de curto circuito
e, consequentemente, produzem arcos maiores nos equipamentos responsáveis por interromper
essa corrente.
3.7 Controle
Apesar dos benefícios oferecidos pelos sistemas de distribuição DC, o controle da tensão
ainda é um grande desafio quando há a presença de cargas altamente dinâmicas. Segundo
Magdefrau (2016), as arquiteturas de controle podem ser divididas em:
1) Controle Hierárquico
2) Controle Sem Comunicação
3) Controle Distribuído
Cada uma possui suas vantagens e desvantagens, mas a escolha de qual arquitetura
utilizar depende de vários fatores, tais como tamanho do sistema de distribuição, topologia e
organização.
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54
3.7.1 Controle Hierárquico
O sistema de controle hierárquico para sistemas DC é apresentado na Figura 29 e
descrito a seguir.
Figura 29 – Controle Hierárquico para Sistemas de Distribuição
Fonte: Magdefrau (2016)
Nessa forma de controle, os níveis hierárquicos são divididos em:
1) Primário: é o controle realizado dentro dos equipamentos de eletrônica de potência contidos
em unidades conectadas à rede. Valores de referência são comparados com valores da rede
e ajustado através de controladores PI (Proporcional-Integral), que regulam a tensão de
saída das unidades supridoras.
2) Secundário: é um controle centralizado dentro da rede e é responsável por organizar a saída
dos controladores primários ao longo do sistema. Pode receber informações tanto do nível
Primário quando do Terciário.
3) Terciário: é um nível de controle geral de todas as operações.
Nesse sistema de controle, se houver falha no nível secundário, toda a rede estará
comprometida.
3.7.2 Controle Sem Comunicação
Para contornar as limitações do controle hierárquico, pode ser utilizado um sistema sem
comunicação, com controladores locais, sem a supervisão de um nível secundário, conforme a
Figura 30.
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55
Figura 30 - Controle Sem Comunicação para Sistemas de Distribuição DC
Fonte: Magdefrau (2016)
Nesse modelo, erros no compartilhamento de energia podem ocorrer por duas razões
diferentes: diferentes tensões nominais e desequilíbrio na distribuição de cargas. Dessa forma,
a maior dificuldade é no controle da tensão sobre as cargas.
3.7.3 Controle Distribuído
Nessa terceira opção (Figura 31), os controladores são capazes de se comunicar entre si
por um barramento comum para controlar individualmente as quedas de tensão. Na
comunicação, sinais individuais são transmitidos para outros controladores através de um
barramento comum, responsável por sinalizar os níveis de tensão adequados para os geradores.
Figura 31 - Controle Distribuído para Sistemas de Distribuição DC
Fonte: Magdefrau (2016)
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56
O barramento comum, responsável por compartilhar sinais iguais para as unidades
geradoras pode sofrer ruído ou interferência de equipamentos eletromagnéticos, que resultam
em uma referência não precisa para a fonte, atrapalhando o controle do sistema.
3.8 Regulamentação
Sistemas de distribuição AC tem sido utilizados por mais de um século e, portanto, estão
regulamentados, facilitando pesquisas e o desenvolvimento de novas tecnologias. Já os sistemas
DC não possuem regras para gerar, transmitir ou distribuir potência, dificultando seu
desenvolvimento e implementação (ELSAYED, 2015).
Devido os diferentes níveis de tensão utilizados nas cargas (Tabela 9), é um desafio
determinar a melhor tensão a ser utilizada em um sistema DC.
Tabela 9 - Níveis de Tensão de Diferentes Aplicações DC
Aplicação Tensão
USB e outros pequenos equipamentos eletrônicos <5V
Automóveis, Computadores 12V
Lâmpadas LED, Caminhões, Ventiladores 24V
Painéis Fotovoltaicos Futuros 48V
Telecomunicações 48V
Sistemas de Armazenamento de Energia 110V/220V
Data Center 380V
Sistemas de Tração, Navios e Aeronaves 1000-1500V
Fonte: Kumar (2017)
Como não há uma regulamentação do nível de tensão a ser utilizado em um sistema de
distribuição DC, também não estão regulamentados os equipamentos que eventualmente serão
conectados à essas redes. É inviável para os fabricantes a produção de equipamentos capazes
de operar em diferentes regras e níveis variados de tensão. Portanto, esse é o principal
obstáculo.
Há também uma falta de regulamentação para aspectos relacionados à segurança: nível
de isolação para condutores e equipamentos DC, esquemas de aterramento e sinalizações de
riscos em instalações de redes DC.
3.9 Exemplos de Aplicação
A seguir, serão apresentados dois exemplos de aplicações práticas de sistemas de
distribuição DC isolados e suas principais características.
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57
3.9.1 Sistema de Distribuição DC para Navios
A Asea Brown Boveri - ABB, empresa do setor de energia e automação, propôs em 2011
um sistema de distribuição genérico DC para navios, no qual garante equipamentos capazes de
trazer benefícios (ABB, 2011).
Nessa proposta, dois aspectos cruciais foram considerados: os equipamentos devem ser
protegidos em casos de faltas e deve haver uma seletividade para que a operação seja mantida
após cenários de faltas.
Em sistemas elétricos de propulsão tradicionais, os inversores de frequência consomem
uma parcela considerável da potência instalada. Com a instalação de sistemas DC, há a
eliminação desses retificadores distribuídos ao longo do barramento, conforme pode ser visto
na Figura 32.
Figura 32 - Transformação AC para DC de um Sistema de Propulsão Genérico
Fonte: ABB (2011)
O novo sistema distribui a potência ao longo do navio em 1000V DC, eliminando a
necessidade de quadros de distribuição. Cada consumidor principal é alimentado por um
inversor separado, que é capaz de produzir uma energia limpa, ideal para as cargas mais
sensíveis.
Nesse novo modelo, todos os produtos utilizados nos navios atuais que já provaram
robustez, tais como geradores e motores AC, podem ainda ser utilizados. Também há a
possibilidade de o sistema de distribuição ser feito de forma centralizada, com os módulos de
conversões em uma central de controle ou de forma descentralizada, ao longo do navio.
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58
Com a eliminação do quadro de distribuição central e dos disjuntores do sistema de
distribuição AC, novas filosofias de proteção devem ser implementadas. Uma combinação de
fusíveis, disjuntores isoladores e unidades de eletrônica de potência controladas é capaz de
promover a segurança necessária. Como todos os componentes geradores de energia tem
capacidade de interrupção, a corrente de falta pode ser interrompida de forma mais ágil se
comparada a proteção tradicional com disjuntores e relés de proteção.
Em casos de faltas mais graves, fusíveis são utilizados para proteger e isolar os módulos
conversores do barramento principal. Isso significa que uma falta em um componente
conectado ao sistema não afetará o funcionamento dos demais.
Como o sistema não mais opera em 60 Hz, haverá uma nova liberdade para controle dos
consumidores de potência de forma independente, otimizando o consumo de combustível, pois
os motores marítimos a combustão tem seu consumo mínimo em uma pequena janela de
operação, tipicamente em 85% de sua potência nominal. Com a introdução de frequência
variável, essa janela de operação com baixo consumo pode ser ampliada para 5% dependendo
do motor (Figura 33), que pode gerar uma economia de até 20%.
Figura 33 – Consumo de Combustível em Motores com Velocidade Fixa e Variável
Fonte: ABB (2011)
Outras vantagens são:
1) Eliminação do transformador de potência, dos disjuntores e dos quadros de cargas reduz o
peso do navio e, consequentemente, o consumo de combustível, além de promover uma
maior flexibilidade no layout do navio,
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59
2) Simples integração de fontes de energia suplementares: painéis fotovoltaicos, baterias
químicas e baterias.
3) Redução na manutenção dos motores por uma operação mais eficiente.
4) Melhor resposta dinâmica e manobrabilidade.
5) Uma plataforma que permite aplicar uma tecnologia “plug and play”, em que o navio pode
ser conectado á rede elétrica, seguindo a tendência mundial de energia elétrica.
Após implantado em um navio (Dina Star), o sistema de distribuição DC proposto pela
ABB resultou em uma economia de até 27% de combustível em condições normais do tempo e
14% em condições adversas. Além disso, o ruído sonoro também diminuiu 30%, contribuindo
para um melhor ambiente de trabalho para a equipe do navio.
3.9.2 Plataformas de Óleo e Gás e Parques Eólicos
A operação das plataformas de Óleo e Gás possuem um ambiente altamente
industrializado baseado em inversores de frequência para as principais aplicações (propulsão,
perfuração e produção) que somam cerca de 85% da potência instalada (REED, 2017).
Devido a necessidade de grande quantidade de equipamentos de eletrônica de potência
e de máquinas de grande porte, a qualidade da energia nas plataformas é prejudicada. Há
problemas de queda de tensão devido a partida de grandes motores e energização de
transformadores, bem como injeção de harmônicos na rede. Uma possível solução para esse
último problema, é a instalação de filtros passivos. No entanto, sua implementação requer
espaço adicional e acarreta em maior peso para a plataforma, o que acaba sendo um problema
em um ambiente onde a otimização desses itens é primordial.
Segundo Reed (2017), duas possíveis implementações são potenciais soluções:
1) Implementação de sistemas de distribuição DC que, assim como nos navios, pode trazer os
mesmos benefícios para essas plantas industriais.
2) Integração de parques eólicos marítimos como fonte de energia para plataformas de
petróleo, através de sistemas de distribuição DC, otimizando aspectos como a qualidade da
energia e sustentabilidade, pela utilização de energia renovável.
De acordo com Reed (2017), essas opções têm grande potencial para abrir novos
mercados não só entre as principais companhias do setor de Óleo e Gás, mas também atrair a
atenção das envolvidas no setor de energia elétrica, podendo inclusive integrar esses sistemas
ás redes terrestres, conforme diagrama apresentado na Figura 34.
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60
Figura 34 – Topologia de um Sistema de Distribuição DC Offshore
Fonte: Reed, 2017
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61
4 Fluxo de Potência em Corrente Contínua
Neste capítulo, serão desenvolvidos os cálculos do fluxo de potência aplicando as
equações desenvolvidas na seção 3.4.2 deste trabalho, com a finalidade de validá-las.
Para auxiliar nos cálculos, foi desenvolvido um código no software Matlab, disponível
no Apêndice A, que segue o algoritmo apresentado na Figura 35.
Figura 35 – Algorítmo para Solução do Fluxo de Potência em Corrente Contínua
Fonte: o autor
Utilizando a ferramenta desenvolvida, serão realizadas a seguir três simulações de
sistemas elétricos com diferentes características.
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62
4.1 Primeira Simulação
Na primeira simulação foi calculado o fluxo de potência do sistema elétrico da Figura
36.
Figura 36 – Sistema Elétrico em Corrente Contínua com Dois Barramentos
Fonte: o autor
Sintetizando os dados do sistema elétrico da Figura 36 e adotando o primeiro barramento
como referência, foi construída a Tabela 10, que contém os dados que foram inseridos no
software Matlab para realização dos cálculos.
Tabela 10 – Dados da Primeira Simulação
Número de Barramentos
2
Resistências que interligam os barramentos em pu De Para R
1 2 0.001
Potências consumidas nos barramentos de carga em pu Número do Barramento P
2 2
Potências geradas nos barramentos de carga em pu Número do Barramento P
2 0
Fonte: o autor
Após incluir os dados no programa e utilizar o código desenvolvido, foram obtidos os
resultados dos fluxos de potência do sistema da primeira simulação, apresentados na Figura 37.
Figura 37 – Fluxos de Potência do Sistema Elétrico da Figura 35
Fonte: o autor
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63
4.2 Segunda Simulação
Na segunda simulação, foi calculado o fluxo de potência do sistema elétrico da Figura
38, composto por três barramentos em uma configuração radial com cargas diferentes.
Figura 38 - Sistema Elétrico em Corrente Contínua Radial com Três Barramentos
Fonte: o autor
Adotando o primeiro barramento como referência e extraindo os valores do sistema
elétrico da Figura 38, foi construída a Tabela 11, que contém os dados utilizados para realização
dos cálculos através do software Matlab.
Tabela 11 - Dados da Segunda Simulação
Número de Barramentos
3
Resistências que interligam os barramentos em pu De Para R
1 2 0.001
1 3 0.001
2 3 infinito
Potências consumidas nos barramentos de carga em pu Número do Barramento P
2 2
3 4
Potências geradas nos barramentos de carga em pu Número do Barramento P
2 0
3 0
Fonte: o autor
Após a inclusão dos dados no programa e utilização do código desenvolvido, foram
obtidos os resultados dos fluxos de potência do sistema da segunda simulação, apresentados na
Figura 39.
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64
Figura 39 - Fluxos de Potência do Sistema Elétrico da Figura 37
Fonte: o autor
4.3 Terceira Simulação
Para a terceira simulação, foi feita uma modificação no sistema elétrico da Figura 38,
adicionando um ramo que interliga os barramentos (2) e (3), modificando a topologia do
sistema, que passou a ser uma configuração anel, conforme a Figura 40.
Figura 40 – Sistema Elétrico em Corrente Contínua Anel com Três Barramentos
Fonte: o autor
Utilizando o mesmo procedimento, foram extraídos os valores do sistema da Figura 40,
possibilitando a construção da Tabela 12, que serviu como base de dados de entrada do
programa.
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65
Tabela 12 - Dados da Terceira Simulação
Número de Barramentos
3
Resistências que interligam os barramentos em pu De Para R
1 2 0.001
1 3 0.001
2 3 0.01
Potências consumidas nos barramentos de carga em pu Número do Barramento P
2 2
3 4
Potências geradas nos barramentos de carga em pu Número do Barramento P
2 0
3 0
Fonte: o autor
Após entrar com os dados no software Matlab e utilizar o código desenvolvido, foram
obtidos os resultados dos fluxos de potência do sistema da terceira simulação, apresentados na
Figura 41.
Figura 41 - Fluxos de Potência do Sistema Elétrico da Figura 39
Fonte: o autor
4.4 Resultados
A primeira simulação realizada envolveu o cálculo do fluxo de potência em corrente
contínua de um pequeno sistema elétrico, que serviu para validar as equações desenvolvidas ao
longo do trabalho e o código implementado através do software Matlab. Os resultados obtidos
foram coerentes, visto que a potência injetada pela fonte tem um valor próximo ao da consumida
pela carga.
Já as demais simulações envolveram sistemas elétricos em corrente contínua com
topologias existentes em sistemas reais e permitiu tanto validar as equações para o cálculo do
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66
fluxo de potência como para conhecer seu comportamento frente a cargas desequilibradas.
Como os valores das Cargas 1 e 2 foram adotados como 2 e 4 pu, respectivamente, era esperado
que houvesse uma geração próxima de 6 pu, que foi confirmada através dos cálculos.
Também foi possível verificar que, apesar da vantagem de um sistema elétrico em
corrente contínua com configuração Anel poder diminuir os barramentos afetados em cenários
de faltas, também aumenta as perdas do sistema, visto que a potência gerada pela fonte foi
maior.
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5 Conclusão
Este trabalho apresentou diferentes aspectos dos sistemas de distribuição DC isolados,
como a estrutura, topologia, fluxo de potência, análise em falta, aterramento, proteção, controle,
regulamentação e aplicações. Cada item descreveu os desenvolvimentos recentes na área de
forma prática, apontando vantagens e desvantagens. Foi feita também uma aplicação do fluxo
de potência em corrente contínua para sistemas de distribuição em corrente contínua, com
topologias radial e anel, na qual foram obtidos resultados coerentes com os dados de entrada.
Apesar de não serem amplamente utilizadas, essas redes DC tem grande potencial
futuro, não só para sistemas isolados, mas também para sistemas integrados e principalmente
nas smart-grids, devido aos benefícios citados ao longo do trabalho.
No decorrer da pesquisa, também pode-se verificar uma série de obstáculos para a
implantação de sistemas DC. O principal é a falta de regulamentação, que acaba dificultando
pesquisas convergentes nas áreas de proteção, controle, qualidade, segurança e estabilidade.
Também por esse motivo, há uma dificuldade de analisar de forma genérica os sistemas de
distribuição DC, visto que as características diferem de um para o outro. Dessa forma, deve-se
analisar cada um isoladamente.
Os equipamentos envolvidos em sistemas DC também sofrem da falta de
regulamentação, resultando em altos custos e soluções ainda não tão eficientes.
Uma possível solução inicial poderia ser direcionada ao uso das redes híbridas, na qual,
em um primeiro momento, as redes AC seriam integradas às DC, até que as dificuldades
supracitadas sejam resolvidas.
Ficam como propostas de trabalhos futuros os seguintes tópicos:
Tanto o aterramento como os supridores de energia têm impacto significante nos cenários
de falta e, portanto, nos esquemas de proteção em redes DC. Entretanto, ainda não estão
totalmente investigados nas literaturas técnicas disponíveis, fazendo com que esse assunto
seja importante para trabalhos futuros.
Pouco se sabe sobre os custos genéricos da operação e dos equipamentos de redes DC. Tem-
se em uma comparação desses entre redes AC e DC uma outra oportunidade de trabalho
futuro.
Conforme demonstrado no trabalho, os sistemas de controle de redes DC também precisam
ser reinvestigados para uma melhor proposta, em prol de uma futura regulamentação.
UNIFEI – ISEE Trabalho Final de Graduação
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Apêndice A: Material Adicional – Algoritmo Matlab
Algoritmo desenvolvido para cálculo do fluxo de potência de um sistema em corrente
contínua através do software Matlab:
clear all clc % Algoritmo para solução do Fluxo de Potência em Corrente Contínua % Desenvolvido para o Trabalho Final de Graduação do aluno Marco Pinheiro % Orientado pelos Professores Roberto Akira e Edson Bortoni % UNIFEI - Universidade Federal de Itajubá % Método Iterativo utilizado: Gauss-Seidel. % Todos os valores inseridos devem estar em PU. % Todos os resultados serão dados em PU. % Deve-se adotar um barramento que possua geração como SWING (Referência),
numerando-o como 1. % Adotar os demais barramentos como LOAD (Carga), com valores de potência
gerada e consumida definidos. %% Inserir o número de barramentos do sistema. barramentos=input('Insira o número de barramentos do sistema:\n');
%% Inserir os valores das resistências das linhas entre os barramentos em
forma de matriz. Adotar valor infinito (inf)se não houver um ramo. R=input('Insira os valores das resistências dos ramos do sistema em formato
de MATRIZ MxM (Exemplo: [1 2; 2 4]):\n'); for i = 1:barramentos for j = 1:barramentos while R(i,j) ~= R(j,i) fprintf('Erro! A matriz com os valores de R inserida não é
simétrica. \n'); R=input('Insira os valores das resistências dos ramos do
sistema em formato de MATRIZ MxM novamente:\n'); end end end
%% Inserir os valores de potência dos barramentos LOAD(carga). Pl=input('Insira os valores das potências consumidas em cada barramento de
carga do sistema em formato de VETOR (Exemplo: [1, 3, 4]):\n'); Pl = [0,Pl];
%% Inserir os valores de potência dos barramentos LOAD(carga). Pge=input('Insira os valores das potências geradas em cada barramento de
carga do sistema em formato de VETOR (Exemplo: [1, 3, 4]):\n'); Pge = [0,Pge]; Pl = Pl-Pge;
%% Inserir o número de iterações desejadas. ni=input('Insira o número de iterações desejadas:\n');
%% Calculando matriz de admitâncias. Y = zeros(barramentos,barramentos); for i = 1:barramentos for j = 1:barramentos if i ~= j if (R(i,j)) == 0 Y(i,j) = 0; else
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Y(i,j) = -1/(R(i,j)); end else Y(i,i) = 0; end end end for i = 1:barramentos Y(i,i) = -sum(Y(:,i)); end
%% Controle de iterações. s = 0; ite = 0; %% Loop - Adotando valores iniciais para V (1 pu para todos barramentos). V = ones(barramentos,1); while (s == 0) ite = ite + 1; for i = 2:barramentos soma = 0; for j = 1:barramentos if i ~= j soma = soma + Y(i,j)*V(j); end V(i)= (1/Y(i,i))*((-Pl(i)/V(i))-soma); end if ite == ni s=1; end end end
%% Calculando as tensões nos barramentos. for i = 1:barramentos fprintf('Tensão no barramento %d: %f pu\n',i,V(i)); end
%% Determinando a Potência no Barramento Referência. Pg=[0]; for i = 1 soma=0; for j = 1:barramentos soma = soma + V(j)*Y(i,j); end Pg(i) = V(i)*soma; fprintf('Potência gerada no barramento %d: %f pu\n',i,Pg(i)); end
%% Determinando os fluxos de potência em cada ramo do sistema. P = zeros(barramentos,barramentos); for i = 1:barramentos for j = 1:barramentos if i ~= j P(i,j)=(V(i)*V(j) - (V(i)^2))*Y(i,j); fprintf('Fluxo da barra %d para %d: %f pu\n',i,j,P(i,j)); else P(i,j) = 0; end end end