Optimal coordination between generation and storage under uncertainties - Chapter 12

Neste texto, será tratado o entendimento do décimo segundo capítulo do livro " Energy Storage at Different Voltage Levels ", escrito por Dinghuan Zhu. Este capítulo tem como objetivo fornecer algumas ideias sobre como encaixar os dispositivos de armazenamento de energia no ambiente de rede em constante evolução, com cada vez mais geração renovável.

Com o crescimento das fontes renováveis de energia Solar e Eólica, manter o equilíbrio entre geração e carga dentro dos sistemas elétricos de potência torna-se cada vez mais desafiador. Os sistemas de armazenamento de energia são reconhecidos como uma saída para solução na integração dessas fontes da rede. Podendo dar destaque às tecnologias com tempo de resposta rápido, que se tornam mais efetivas que muitos geradores convencionais. 

Tradicionalmente, o balanço de energia é realizado pelo controles de frequência primário, secundário e terciário. O controle de frequência primário é uma estratégia proporcional, usada de forma local por geradores para regular a frequência. O controle de frequência secundário utiliza uma estratégia integral para regular a frequência e os fluxos de conexão. Já o controle terciário é uma estratégia baseada em otimização relacionada ao despacho de renováveis e despacho econômico.

Essas estratégias podem não ser suficientes para acompanhar as evoluções que estão ocorrendo no setor, seque a lista de fatores que corroboram com isso:

1. O controle primário e secundário não são designados para responder rapidamente no caso de desequilíbrio na energia;
2. Variações rápidas de energia na saída são prejudiciais para geradores convencionais;
3. Essa estrutura não leva em conta o aumento das incertezas pela introdução dos renováveis no nivel terciário, podendo resultar num despacho economicamente ineficiente;
4. A estrutura tradicional não leva em conta o "State of Charge" dos arranjos com armazenamento de energia, podendo prejudicar a segurança da operação como um todo.

A new two-level approach

A abordagem redesenhada, agora consiste em dois níveis, o nível de Controle de Frequência Avançado (AFC) e nível de Despacho Estocástico Ótimo. O AFC incorpora o controle primário e a tarefa de regulação de frequência no controle secundário. O segundo é baseado no Controle Preditivo por Modelos Estocásticos (SMPC), que leva em consideração não somente as incertezas dos renováveis e a demanda, mas também realiza uma previsão "look-ahead horizon".

O nível de despacho estocástico ótimo coleta todos os dados relevantes da parte física do sistema para realizar uma otimização estocástica a cada 5 ou 15 minutos, produzindo parâmetros otimos para geração e armazenamento que serão implementados pelo nível de AFC no tempo de intervalo. 

Nesta nova abordagem, a coordenação entre geradors convencionais e o armaznamento de energia é feio de acordo com suas capacidades. Os geradores regulares são responsáveis pela região de baixa frequência no espectro das flutuações de energia, enquanto os dispositivos de armazenamento com capacidade de resposta rápida são responsáveis pela região de alta frequência. Esse arranjo é chamado de "time-scale matching".

AFC Level

Na sua essência, o AFC é uma estratégia que une os controles primário e secundário. As duas características desejadas são o paradigma do controle descentralizado do controle primário tradicional e a funcionalidade na restauração da frequência do controle secundário tradicional. Esse nível de controle opera de forma contínua e em tempo real. Sua utilização apresenta robustez e estabilidade, assim como simplicidade na estratégia de controle.

O objetivo principal desse nível de controle é regular a frequência nos barramentos de geração, também é objetivo minimizar a requisição de rampas nos geradores convencionais e minimizar os desvios do estado de carga dos armazenadores.

Essa estratégia demonstra o comportamento de um controle prporcional-integral (PI). As duas principais barreiras para a ação descentralizada de controle PI para regular frequência são: controladores de frequência locais são projetados baseados no conhecimento da unidade geradora local; e no compartilhamento de energia entre geradores em respostas a desvios de frequência não é claro quando varios controladores PI são colocados no sistema, por mais que a estabilidade seja garantida.

Para primeira barreira, é essencial que uma associação cooperativa entre os geradores através de um melhor interação por meio da linha de transmissão, precisa ser mais explícita. Já a segunda barreira pode sr solucionada com a implantação e Unidades de Medição Fasorial (PMU's), para auxiliar na sincronização.

Stochastic optimal dispatch level   

A motivação principal para utilizar uma optimização estocástica nesse nível é que esse estratégia permite uma melhor forma de lidar com problemas do mundo real e com incertezas. Lidar com incertezas é um desfio que surge quando existe a inclusão de renováveis na rede elétrica. Outra preocupação é garantir uma operação segura dos sistemas de armazenamento.

O SMPC é uma tecnologia de controle avançado que integra a vantagem de inclusão de incertezas na programação estocástica e a capacidade de antecipar o comportamento futuro do sistema de destino ao tomar decisões de controle preditivo ao modelo. O controlador SMPC apenas implementa a ação de controle do primeiro estágio de um problema de dois estágios em cada etapa do tempo. A decisão do segundo estágio na teoria da programação estocástica é uma coleção de ações recursivas que precisam ser tomadas a cada resultado aleatório para as incertezas consideradas.

Esse capítulo também também apresenta um estudo de caso e demonstra os resultados, que em conclusão, mostrando que as soluções porpostas apresentam melhores desempenhos com relação ás estratégias tradicionais. É muito interessante análisar as respostas gráficas do primeiro controlador para melhor entendimento.