Adaptando a Regulação de Frequência para Recursos de Energia Distribuídos

A integração de recursos energéticos distribuídos (DERs) na rede elétrica mudou a forma como gerenciamos a eletricidade, especialmente no que diz respeito ao controle de frequência. Quando há um desbalanceamento entre a produção e o consumo de eletricidade, a regulação da frequência se torna fundamental. Esse problema pode surgir por várias razões, como falhas ou mudanças súbitas na demanda de eletricidade. Para lidar com essas flutuações de frequência, dispositivos são usados para ajudar a restaurar o equilíbrio.

Tradicionalmente, os operadores do sistema gerenciam esses desafios ajustando a saída de geradores individuais para manter os custos baixos, ao mesmo tempo em que atendem às demandas da rede e das reservas. Porém, com o aumento dos DERs, que podem incluir painéis solares, turbinas eólicas e armazenamento em bateria, há uma necessidade de uma nova forma de alocar e usar reservas de maneira eficaz para a regulação de frequência.

#Entendendo a Regulação de Frequência

A regulação de frequência pode ser dividida em três categorias: controle primário, secundário e terciário.

• Controle Primário: É a resposta imediata a uma perturbação, ajustando a saída de potência dos geradores para estabilizar rapidamente a frequência.
• Controle Secundário: Assume o controle se o primário não conseguir restaurar a frequência ao nível padrão. Ele ajusta a saída dos geradores em um curto período.
• Controle Terciário: É um processo mais deliberado, visando minimizar os custos operacionais enquanto garante que haja reservas suficientes após as ações de controle secundário.

Em um sistema com muitos DERs, uma nova abordagem é necessária para gerenciar reservas e determinar quanto poder cada gerador deve produzir.

#A Necessidade de Novas Estratégias

Estudos recentes mostraram que, enquanto um único DER pode não fornecer suporte suficiente para o controle de frequência, um grupo deles pode trabalhar junto de forma eficaz. No entanto, coordenar esses dispositivos é complexo. Isso requer métodos precisos para alocar reservas e determinar os níveis de saída de potência.

Vários métodos para gerenciar o controle de frequência em sistemas de energia tradicionais foram propostos, mas muitos não se traduzem facilmente para sistemas dominados por DERs. Assim, há uma crescente necessidade de estratégias adaptadas especificamente para sistemas distribuídos.

#Teoria dos Jogos Coalicionais como Solução

A teoria dos jogos coalicionais oferece um quadro promissor para enfrentar esses desafios. Nesse contexto, cada DER é visto como um jogador em um jogo, e eles podem formar coalizões para melhorar suas contribuições para a regulação de frequência. A teoria ajuda a calcular e distribuir recompensas com base nas contribuições individuais para o sucesso do grupo.

O valor de Shapley, um conceito chave nessa teoria, fornece uma maneira de distribuir benefícios de forma justa entre os jogadores com base em suas contribuições. Essa abordagem pode levar a um uso eficiente das reservas e aumentar a participação dos DERs na regulação de frequência.

#A Abordagem Proposta em Duas Fases

Essa abordagem envolve duas fases principais para gerenciar a alocação de reservas entre os DERs.

#Fase Um: Calculando Índice de Merecimento (IM) e Redução de Perda de Potência (RPP)

Na primeira fase, dois tipos de indicadores são calculados para cada grupo de DERs:

1. Índice de Merecimento (IM): Reflete o valor de cada DER em maximizar os benefícios gerais para o sistema.
2. Redução de Perda de Potência (RPP): Mostra quanto a perda de potência é reduzida quando DERs específicos estão incluídos em uma coalizão.

Calcular esses indicadores ajuda a identificar quais DERs mais contribuem para a eficiência e a confiabilidade.

#Fase Dois: Determinando Valores de Shapley e Fatores de Distribuição

Na segunda fase, os valores de Shapley são calculados com base nos IMs e RPPs previamente calculados. Esses valores ajudam a determinar quanto cada DER deve fornecer de reserva.

Uma vez que os valores de Shapley são calculados, fatores de distribuição são derivados deles. Esses fatores orientam como as reservas devem ser alocadas para cada DER e também ajudam a definir seus níveis de saída de potência.

#Implementação e Estudos de Caso

Para demonstrar quão eficaz essa abordagem pode ser, estudos de caso foram realizados em versões modificadas de sistemas de teste de distribuição bem conhecidos. Esses sistemas forneceram uma estrutura consistente para testar como as reservas poderiam ser alocadas de forma mais eficaz entre os DERs.

#Visão Geral dos Sistemas de Teste

1. Sistema de Distribuição IEEE de 13 nós: Esse sistema possui três DERs e uma alta capacidade de carga. Inclui componentes como reguladores de tensão e bancos de capacitores.

2. Sistema de Distribuição IEEE de 34 nós: Um alimentador mais longo e com carga leve que também incorpora vários DERs em diferentes nós.

3. Sistema de Distribuição IEEE de 123 nós: Inclui uma mistura de linhas aéreas e subterrâneas, capacitores em derivação e vários tipos de carga, com dez DERs.

#Resultados dos Estudos de Caso

A abordagem mostrou resultados impressionantes em todos os sistemas testados.

• Em cada caso, o processo de alocação de reservas levou a custos totais mais baixos em comparação com métodos tradicionais.
• A alocação foi muito mais justa, garantindo que todos os DERs tivessem um nível satisfatório de utilidade de sua participação.

As utilidades individuais dos DERs foram analisadas, mostrando que aqueles que participaram da nova abordagem tiveram benefícios mais consistentes em comparação com aqueles que usaram métodos baseados na capacidade.

#Benefícios da Nova Abordagem

O método proposto oferece várias vantagens:

1. Eficiência Econômica: Ao otimizar a alocação de reservas, os custos gerais são significativamente reduzidos.

2. Participação Justa: Os DERs são compensados de uma forma que reflete suas contribuições reais, levando a uma maior satisfação entre os participantes.

3. Confiabilidade Aprimorada: Os esforços coordenados dos DERs resultam em um sistema de energia mais estável, especialmente em relação ao gerenciamento de frequência.

4. Adaptabilidade para Necessidades Futuras: À medida que mais DERs são adicionados à rede, esse método pode ser escalado para incluí-los sem precisar de grandes modificações.

#Conclusão

Com o aumento dos DERs, a necessidade de melhores estratégias de gestão em sistemas de energia nunca foi tão clara. A abordagem da teoria dos jogos coalicionais apresentada não só melhora a capacidade desses recursos de participar da regulação de frequência, mas também maximiza seus benefícios.

Os estudos de caso ilustram a eficácia dessa estratégia, mostrando um caminho claro para integrar fontes de energia mais diversas em nossos sistemas de energia. Ao alinhar interesses individuais com objetivos coletivos, podemos criar um futuro energético mais confiável e eficiente.