Development of a methodology for decision analysis for insertion of photovoltaic distributed generation and energy storage connected to the energy grid Advisor

Estima-se que atualmente no mundo, em especial nos países subdesenvolvidos ou em desenvolvimento, em torno de um bilhão e meio de pessoas não tenha acesso á eletricidade. Em uma sociedade, a ausência de oferta segura de energia a todos, especialmente a energia elétrica, evidencia uma desigualdade nas condições de vida. Essa desigualdade gera falta de oportunidade para desenvolvimento e fluxo migratório para grandes cidades. A inserção da geração distribuída no sistema elétrico de potência e mais recentemente a inserção de diferentes formas de armazenamento de energia vem sendo pesquisada, como alternativa para o planejamento da expansão elétrica. A geração distribuída com armazenamento de energia conectada ao sistema elétrico de potência é uma opção para o atendimento destas populações carentes, considerando-se sistemas frouxamente acoplados. Destaca-se também que a geração fotovoltaica colabora para a melhoria do fator de carga possibilitando que os recursos sejam utilizados para a expansão da rede, por exemplo. Dentro desta ótica, o problema de inserção da geração distribuída e recentemente, do armazenamento de energia torna-se de vital importância para a otimização da utilização destes recursos. Por meio deste trabalho, propõe-se o uso de uma metodologia para estabelecer um índice geral com vistas à melhor inserção da geração fotovoltaica distribuída e armazenamento de energia por meio de baterias em alimentadores rurais. Para a validação desta metodologia, foi utilizado o sistema elétrico de potencia IEEE 14 barras com variação de cargas em diferentes alimentadores por um período de um ano. Para o estudo foram utilizados dados reais fornecidos pela concessionária CEMIG de alimentadores rurais, e simulados a inserção de diferentes níveis de geração fotovoltaica e armazenamento de energia para analisar o impacto no sistema por meio de um índice geral, avaliando-se a melhor localização para as diferentes configurações e ponderações. Este índice composto é formado por cinco índices simples classificados segundo três aspectos: IG=f1(aspectos técnicos)+ f2(aspectos econômicos)+f3(aspectos ambientais), com diferentes pesos atribuídos a cada critério. Os aspectos técnicos foram abordados por meio dos seguintes índices: perfil de tensão (IPT) e confiabilidade (IC). Os aspectos econômicos são os que afetam a capacidade de oferta de energia segura por parte da rede, representando assim o aumento da capacidade da rede e foram abordados por meio dos seguintes índices: perdas na linha (IPL) e fator de carga (IFC). E por último, o aspecto ambiental, traduzido pelo índice ambiental (IAMB) que considera a redução das emissões dos gases do efeito estufa em função da inserção de fontes renováveis. O índice (IG) é diretamente proporcional ao somatório dos índices em que a resposta positiva do sistema representa aumento e inversamente proporcional aos somatórios dos índices em que a resposta positiva do sistema representa redução. Os resultados da simulação permitiram avaliar, sob diferentes ponderações, a melhor localização da geração fotovoltaica distribuída e/ou armazenamento de energia em um sistema elétrico de potência real. A simulação foi feita em cinco dos quatorze barramentos do sistema IEEE 14 barras, que representam os barramentos que dão origem a ramais radiais, como os alimentadores rurais. Foi realizada uma análise horária utilizando dados de demanda e geração variáveis no tempo, 24 horas para cada mês típico do ano, para três casos com diferentes relações entre geração fotovoltaica e armazenamento de energia (só armazenamento caso 1; nível menor de geração fotovoltaica e armazenamento caso 2; e nível maior de geração fotovoltaica e armazenamento - caso 3). Estes casos foram definidos pela otimização feita a priori para cada caso simulado. Para a resolução do problema do fluxo de potência foi utilizado o método de Newton-Raphson, por meio do programa MatPower® em conjunto com software desenvolvido em ambiente MatLab® para a determinação dos resultados. O objetivo foi de encontrar um conjunto de arranjos da geração fotovoltaica com armazenamento de energia que levaram ao melhor desempenho da rede de distribuição analisada, otimizando cada aspecto técnico segundo o interesse da concessionária de distribuição de energia elétrica. Foi gerada uma matriz de resultados permitindo ao planejador diferentes estratégias de atendimento energético. A metodologia proposta foi validada permitindo assim ao planejador visualizar simultaneamente diferentes aspectos por meio de um único índice, que engloba os aspectos técnicos, econômicos e ambientais.It is estimated that in the world today, especially in sub-developed or developing countries, roughly one and a half billion people do not have access to electricity. In a society, the lack of a reliable energy source for all, especially electricity, indicates an imbalance in living conditions. This inequality causes a lack of opportunity for development and consequently a migration to large cities. Insertion of distributed generation in the electricity system and more recently the insertion of different energy storage methods are being studied as an alternative for planning the electric expansion. Distributed generation with energy storage connected to the electricity system is an option for attending low-income populations and also when considering improvement of the load factor in order to allow expansion of the grid. Within this scope, the problem of distributed generation insertion and recently, energy storage has become of vital importance for usage optimization of these resources. In this work, a methodology is proposed to establish a general index focused on the insertion of distributed photovoltaic generation and energy storage in batteries for rural consumers. For validation of this methodology, an IEEE 14 bus electric power system with load variation for different energy providers was used for a period of one year. Real data were provided for rural energy consumption by the local electricity provider CEMIG for this study, and the insertion of different photovoltaic generation and energy storage was simulated to analyze the impact on the system in general, evaluating the best location for the different configurations and weights. This index is composed of five simple sub-indices classified according to three aspects: IG=f1(technical aspects)+ f2(economic aspects)+f3(environmental aspects), with different weights attributed to each criteria. The technical aspects were addressed by the following indices: voltage (IPT) and reliability profiles (IC). The economics aspects are whose which affect capacity of reliable energy supply by the grid, thus representing the increase in grid capacity were evaluated by means of the following indices: line losses (IPL) and load factor (IFC). Lastly is the environmental aspect, indicated by the environmental index (IAMB), which considers the reduction in greenhouse gas emission in function of the insertion of renewable sources. The index IG is directly proportional to the sum of the indices in which the positive response of the system represents an increase and inversely proportional to the sum of the indices in which a positive response of the system represents a reduction. Results of the simulation allow for evaluation of the best location for distributed photovoltaic generation and/or energy storage in a real electric power system. The simulation was performed in five of the fourteen busses of the IEEE 14 bus system, which represents the busses from which the radial branches originate, as supply lines to rural consumers. An hourly analysis was performed using demand data and generation variables, 24 hours for each typical month of the year, for three cases with different relations between photovoltaic generation and energy storage (only storage case 1; lowest level of photovoltaic generation and storage case 2; and highest level of photovoltaic generation and storage - case 3). These cases were defied by the optimization done a priori for each case simulated. To solve the power flow problem the Newton-Raphson method was utilized in the MatPower® program together with software developed in the MatLab® environment to determine the results. The objective was to encounter a set of photovoltaic generation arrays with energy storage which induce the best performance of the analyzed distribution network, optimizing each technical aspect according to the interest of the electricity distribution service. A results matrix was generated permitting the planning of different energy supply strategies. The proposed methodology was validated, thus allowing the planner to simultaneously visualize different aspects by means of a single index which includes the technical, economic and environmental aspects