Micro-redes Conectadas à Rede vs. Micro-redes Isoladas: Principais Diferenças e Requisitos de Equipamentos

As microrredes têm dois modos básicos de operação: conectadas à rede e isoladas da rede. Os dois modos diferem claramente quanto à lógica de controle, à seleção de equipamentos e às configurações de proteção. Compreender essas diferenças constitui a base para a seleção de equipamentos na fase inicial de um projeto.

1. Como funcionam os dois tipos de microrredes

Na operação conectada à rede, a microrrede está ligada à rede principal externa por meio do ponto de acoplamento comum (PCC). A rede principal é responsável por manter estáveis a tensão e a frequência. Os geradores distribuídos e o armazenamento de energia no interior da microrrede seguem a rede e cooperam principalmente, em vez de oferecer suporte. A rede externa atua como uma fonte de tensão e de frequência extremamente grande, absorvendo as flutuações da microrrede.

Em operação isolada, o ponto de conexão comum (PCC) é desconectado e a micro-rede torna-se um pequeno sistema elétrico independente. Não há nenhuma fonte externa para se apoiar. O armazenamento de energia, os painéis fotovoltaicos (PV), os geradores a diesel e outras fontes internas à micro-rede devem estabelecer, por si mesmos, a tensão e a frequência, além de equilibrar continuamente a geração e a carga. O modo de controle muda de acompanhamento da rede para suporte ativo, e a complexidade aumenta significativamente.

A alternância entre os dois modos divide-se em alternância programada e alternância não programada. A alternância programada dispõe de tempo de preparação: a geração interna e a carga podem ser ajustadas primeiro, seguidas de uma desconexão suave da micro-rede. A alternância não programada é frequentemente desencadeada por uma falha na rede elétrica. Após detetar a anomalia, o controlador deve desconectar rapidamente o sistema e permitir que o armazenamento de energia ou a fonte de reserva assuma o fornecimento, enquanto descarrega algumas cargas não críticas para evitar sobrecarga e colapso do pequeno sistema. Ao voltar da operação isolada para a operação ligada à rede, é necessário concluir primeiro a sincronização de tensão, frequência e fase. Caso contrário, ocorrerá uma corrente de pico no instante do fecho, podendo danificar equipamentos.

2. Desafios Técnicos da Operação Isolada Durante uma Falha de Alimentação

Após a falha da alimentação da rede pública e a transição do sistema para a operação isolada, a maior alteração é que a inércia do sistema desaparece a rede principal possui muitas máquinas rotativas, que naturalmente fornecem inércia e podem amortecer variações de frequência causadas por mudanças repentinas de carga. Uma microrrede isolada é pequena, e dispositivos eletrônicos de potência, como conversores de armazenamento de energia, não conseguem fornecer a mesma inércia física. A frequência e a tensão respondem mais rapidamente e com maior amplitude às perturbações.

Isso gera três problemas específicos. Primeiro, regulação rápida de frequência e tensão . Em modo isolado, o conversor de armazenamento de energia precisa mudar de operação seguidora da rede para operação formadora da rede e estabelecer ativamente as referências de tensão e frequência. Isso é muito mais difícil de controlar do que no modo conectado à rede. Segundo, suavidade da comutação não planejada . Se a tensão ou a frequência caírem demais durante a comutação, cargas sensíveis podem desligar-se ou sofrer danos. Portanto, o controle da comutação precisa identificar o estado e alterar a estratégia dentro de milissegundos. Terceiro, mudanças no sistema de aterramento . Quando conectado à rede, o aterramento é organizado pela rede principal. Após a desconexão da rede, o método de aterramento pode mudar, o que afeta diretamente o caminho da corrente de falha e a correta operação da proteção.

3. Requisitos Diferentes para Transformadores, Equipamentos de Comutação e Sistemas de Proteção

Transformadores

Numa arquitetura conectada à rede, a capacidade do transformador é determinada principalmente pela potência de intercâmbio entre a microrrede e a rede, sendo o grupo vetorial e a relação de transformação selecionados para compatibilizar com a tensão da rede. Numa arquitetura isolada da rede, o transformador também deve manter a tensão estável sob cargas reduzidas e cargas de impacto, impondo requisitos adicionais quanto à capacidade de regulação de tensão e ao projeto da impedância. Quando a capacidade de curto-circuito é limitada, a impedância do transformador também ajuda a limitar a corrente de falha. Os transformadores de distribuição e os transformadores a seco da Zhongmeng permitem ajustar os grupos vetoriais e as configurações de regulação de tensão conforme a capacidade da microrrede e as características da carga, adaptando-se às diferentes prioridades das duas arquiteturas.

Dispositivos de mudança

O limite entre a operação conectada à rede e a operação isolada é normalmente definido no ponto de conexão comum (PCC). O disjuntor nesse ponto precisa ter capacidade de interrupção bidirecional: deve cortar rapidamente quando a rede falha, para evitar que a microrrede injete energia de volta na rede com defeito, e também deve abrir de forma confiável quando for necessário operar em modo isolado. Os equipamentos de quadros de comando de média e baixa tensão e as cabines pré-fabricadas da Zhongmeng são pré-montados e testados na fábrica. No local, basta conectar os cabos, o que atende bem a projetos de microrredes que exigem implantação rápida.

Sistemas de Proteção

Esta é a área com a maior diferença entre as duas arquiteturas. Na operação conectada à rede, a corrente de falha é fornecida principalmente pela rede principal, e o nível de corrente de curto-circuito é relativamente elevado. Após a mudança para operação isolada, a corrente de curto-circuito é fornecida apenas pelas fontes distribuídas internas à microrrede e pode corresponder a apenas uma fração do valor em operação conectada à rede. Se os ajustes de proteção continuarem configurados para as condições de operação conectada à rede, o relé pode não detectar falhas no modo isolado e pode não atuar. Portanto, o sistema de proteção deve possuir capacidade adaptativa em ambos os modos, ou, pelo menos, ser capaz de alternar grupos de ajustes de proteção quando ocorrer a mudança de modo. A interface com a rede também exige proteção bidirecional para cobrir falhas tanto no lado da rede quanto no lado da microrrede. Os dispositivos de proteção e controle da Zhongmeng podem ser integrados com quadros de comando e transformadores em um pacote completo, reduzindo os riscos de coordenação entre equipamentos de diferentes fornecedores.

4. Problemas de Variação de Tensão, Frequência e Carga em Sistemas Isolados

No modo isolado, a tensão e a frequência já não são suportadas pela rede elétrica principal. Elas são reguladas em tempo real pelas fontes de controle principais, como conversores de armazenamento de energia ou geradores a diesel. O objetivo operacional habitual é manter a frequência próxima de 50 Hz e a variação de tensão dentro de uma faixa aceitável para as cargas. Na operação real, contudo, alterações na produção fotovoltaica e a partida e parada de cargas de grande porte causam ambas perturbações.

A variação de carga é o teste mais direto para um sistema isolado da rede. Quando um motor relativamente grande é ligado, pode reduzir instantaneamente a tensão do sistema. Quando a produção fotovoltaica diminui subitamente devido à cobertura de nuvens, a frequência pode aumentar. O controle de sistemas isolados deve manter-se estável perante tais perturbações contínuas. Ao mesmo tempo, o armazenamento de energia em baterias deve carregar e descarregar potência rapidamente para suavizar flutuações e, quando necessário, desconectar algumas cargas não críticas por ordem de prioridade. As normas já exigem que o tempo de comutação entre modo isolado e modo ligado à rede não exceda 10 ms, mas isso impõe requisitos muito rigorosos quanto à coerência da velocidade de resposta dos controladores e dos equipamentos de comutação.

5. Parâmetros elétricos a confirmar na fase inicial de um projeto

Quanto mais claros forem os parâmetros na fase inicial, menos retrabalho será necessário na seleção de equipamentos e no ajuste das proteções. Os seguintes parâmetros devem ser confirmados em primeiro lugar:

Nível de corrente de curto-circuito. As correntes de curto-circuito máxima e mínima devem ser obtidas separadamente para as condições conectadas à rede e isoladas da rede. No modo conectado à rede, elas são fornecidas conjuntamente pela rede e pelas fontes distribuídas. No modo isolado da rede, são fornecidas exclusivamente pelas fontes distribuídas. Os dois valores podem diferir em várias vezes. Este é o critério direto para a seleção da capacidade de interrupção dos equipamentos de manobra e para o ajuste dos valores de proteção.

Método de aterramento. Os métodos de aterramento no lado da rede e no lado da microrrede devem ser coordenados. O método de aterramento do neutro determina a magnitude e o percurso da corrente de falha à terra monofásica e também influencia a escolha do grupo vetorial do transformador. Após a operação isolada da rede, as condições de aterramento podem mudar; portanto, o arranjo de aterramento antes e após a comutação deve ser definido na fase de projeto.

Parâmetros do transformador. Estes incluem a capacidade nominal, a relação de tensão, o grupo vetorial, a tensão de impedância e o método de regulação de tensão. A capacidade pode ser selecionada com base na potência máxima contínua de intercâmbio entre a micro-rede e a rede externa, e também deve ser verificada a capacidade de partida de cargas de impacto no modo isolado.

Características harmônicas. O espectro harmônico, a ordem e o teor de harmônicos dos inversores e das cargas não lineares devem ser conhecidos antecipadamente. Os harmônicos afetam a qualidade da energia elétrica e podem ainda causar aquecimento adicional nos transformadores e ressonância nos capacitores. Durante a seleção, deve-se assegurar a correspondência entre a capacidade de suporte harmônico ou as medidas de mitigação adequadas.

Faixas de frequência e tensão permitidas. Devem ser definidos os limites operacionais tanto no estado conectado à rede quanto no estado isolado, bem como as variações transitórias permitidas durante as comutações. Esses indicadores determinam diretamente a estratégia de controle do conversor e os ajustes de proteção.

Classificação das cargas e carga de impacto máxima. Um sistema fora da rede tem capacidade limitada. É necessário distinguir cargas críticas e não críticas, bem como confirmar o método de partida e a corrente de partida do maior motor individual. Isso determina a capacidade de sobrecarga exigida do conversor de armazenamento de energia e o limiar da estratégia de desligamento de cargas fora da rede.

Pontos de integração do produto Zhongmeng: Os parâmetros acima precisam, em última instância, ser implementados em equipamentos específicos. Transformadores de distribuição realizam a conversão de tensão e o casamento de impedância. Quadros de comando realizam a abertura/fechamento do ponto de conexão com a rede (PCC) e a proteção dos circuitos. Equipamentos personalizados de distribuição de energia integram transformadores, quadros de comando, proteção e controle, e monitoramento em cabines pré-fabricadas ou subestações montadas em plataformas, reduzindo erros de coordenação durante a montagem no local. Se a corrente de curto-circuito, o método de aterramento, as harmônicas e as características da carga forem definidos na fase inicial do projeto, equipamentos completos podem ser personalizados conforme as condições reais de operação, em vez de se fazer concessões passivas em produtos padrão.

6. Cenários de Aplicação

7. Perguntas Frequentes

P: Qual é a principal diferença entre microrredes conectadas à rede e microrredes isoladas?

R: A principal diferença reside na lógica de controle. No modo conectado à rede, a rede elétrica externa fornece a referência de tensão e frequência, e a microrrede segue essa rede. No modo isolado, a microrrede deve estabelecer sua própria tensão e frequência por meio de armazenamento interno de energia e geradores, tornando o controle significativamente mais complexo.

P: Por que o sistema de proteção difere entre as duas arquiteturas?

R: Os níveis de corrente de curto-circuito diferem drasticamente. Em modo conectado à rede, a rede principal fornece uma alta corrente de falha. Em modo isolado, apenas fontes distribuídas fornecem corrente de falha, que pode ser apenas uma fração do valor em modo conectado à rede. As configurações de proteção projetadas para condições conectadas à rede podem não detectar falhas em modo isolado; portanto, são necessárias proteções adaptativas ou grupos de configurações comutáveis.

P: Qual é o tempo de comutação exigido ao transitar do modo isolado para o modo conectado à rede?

R: As normas da indústria exigem que o tempo de comutação do modo isolado para o modo conectado à rede seja de no máximo 10 ms. Isso impõe exigências muito elevadas à velocidade de resposta dos controladores e dos equipamentos de manobra, além de exigir sincronização precisa de tensão, frequência e fase antes da reconexão.

P: Qual é o papel dos transformadores em uma microrrede?

A: Os transformadores realizam a conversão de tensão e o casamento de impedância entre a micro-rede e a rede externa. Em modo isolado (off-grid), eles também devem manter a estabilidade da tensão sob condições de carga reduzida e de carga de impacto. A impedância do transformador pode, adicionalmente, ajudar a limitar a corrente de curto-circuito quando a capacidade de curto-circuito for restrita.

Q: Quais parâmetros elétricos devem ser confirmados na fase inicial de um projeto de micro-rede?

A: Os principais parâmetros incluem: níveis de corrente de curto-circuito para ambos os modos, método de aterramento, parâmetros do transformador (capacidade, relação de transformação, grupo vetorial, impedância), características harmônicas, faixas de frequência e tensão permitidas, e classificação das cargas com a carga de impacto máxima. A confirmação desses parâmetros desde cedo reduz retrabalho na seleção de equipamentos e no ajuste das proteções.