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Brazilian Applied Science Review Braz. Ap. Sci. Rev, Curitiba, v. 4, n. 6, p. 3888-3906 nov./dez. 2020 ISSN 2595-3621 3888 Microrredes: Estado da arte, desafios e tendências para geração, distribuição e uso sustentável de energia elétrica Microgrids: State-of-the-art, challenges and trends for the sustainable generation, distribution and use of electricity DOI:10.34115/basrv4n6-045 Recebimento dos originais: 14/11/2020 Aceitação para publicação: 14/12/2020 Marcus Evandro Teixeira Souza Junior Mestre em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Uberlândia Instituição: Universidade Federal de Uberlândia Av. João Naves de Ávila, 2121 - Bairro Santa Mônica, Uberlândia – MG, Brasil E-mail: marcus11jr@hotmail.com Luiz Carlos Gomes de Freitas Doutor em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Uberlândia Instituição: Universidade Federal de Uberlândia Av. João Naves de Ávila, 2121 - Bairro Santa Mônica, Uberlândia – MG, Brasil E-mail: lcgfreitas@yahoo.com.br RESUMO O aumento no consumo de energia elétrica, o surgimento e a expansão de tecnologias inovadoras como a geração distribuída, a eletrônica de potência e os dispositivos de armazenamento de energia, a falta de acesso à eletricidade para milhões de pessoas e as preocupações com o meio ambiente e as mudanças climáticas estão mudando radicalmente o sistema elétrico. Estas condições fizeram nascer um forte interesse sobre as microrredes elétricas modernas. Unindo produção, distribuição e uso de energia elétrica em uma estrutura única, avançada, pequena e local, elas podem resolver grande parte dos problemas contemporâneos do setor energético, melhorar a vida das pessoas e tornar suas atividades econômicas mais sustentáveis. Todavia, há ainda pouca compreensão profunda sobre o tema. Neste contexto, o objetivo deste artigo é elucidar os conceitos fundamentais envolvendo microrredes, fornecendo uma visão geral sobre o assunto. Inicialmente, elas são definidas e suas características são apresentadas. Em seguida, sua história e sua situação atual de desenvolvimento são analisadas. Seus componentes principais, ou seja, os recursos energéticos distribuídos, os conversores estáticos, a proteção, a cogeração e as cargas, são investigadas. Por último, as técnicas de controle para microrredes são categorizadas e discutidas. Palavras-chave: Eletrônica de Potência, Energias Renováveis, Geração Distribuída, Microrredes, Recursos Energéticos Distribuídos. ABSTRACT The increase in electricity consumption, the emergence and expansion of innovative technologies such as distributed generation, power electronics and energy storage devices, the lack of access to electricity for millions of people and the preoccupations about the environment and climate change are radically changing the power system. These conditions gave rise to a strong interest in modern microgrids. Joining power production, distribution and use of electricity in a unique, advanced, small and local structure, they can solve great part of the contemporaneous problems of the energy sector, enhancing people’s life Brazilian Applied Science Review Braz. Ap. Sci. Rev, Curitiba, v. 4, n. 6, p. 3888-3906 nov./dez. 2020 ISSN 2595-3621 3889 and making their economic activities more sustainable. However, there is still little in-depth understanding on the topic. In this context, the purpose of this paper is to elucidate the fundamental concepts involving microgrids, providing an overview on the subject. Initially, they are defined and their characteristics are presented. Then, its history and its current developing situation are analyzed. Their main components, that is, distributed energy resources, power converters, protection, cogeneration and loads are investigated. Lastly, control techniques for microgrids are categorized and discussed. Keywords: Distributed Energy Resources, Distributed Generation, Microgrids, Power Electronics, Renewable Energy. 1 INTRODUÇÃO Durante muitos anos, o sistema elétrico passou por poucas modificações. Apesar do crescimento contínuo de usuários, do aumento substancial de eletricidade produzida e da expansão de sua estrutura física, não houve mudanças radicais, que transformassem seus alicerces. Recentemente, porém, novas soluções e tecnologias surgiram e estão sendo incorporadas ao sistema elétrico. Da geração de energia elétrica, passando pela transmissão, pela distribuição e chegando até o consumo, conceitos inovadores e dispositivos disruptivos estão sendo empregados e indicam que, em um futuro próximo, as redes elétricas serão muito distintas daquelas que existem hoje. Começando pelo consumo de energia elétrica, pode se dizer que, para a maior parte dos seres humanos, é praticamente insustentável a vida contemporânea sem seu uso. São inúmeros os aparelhos e equipamentos eletroeletrônicos que podem ser identificados nas ruas, nas residências, nos comércios, nos transportes e nas indústrias. Não por acaso, o consumo global final de energia elétrica passou de 5.268 TWh em 1974 para 22.315 TWh em 2018, em uma taxa média de crescimento de 3,3% ao ano [1]. Contraditoriamente, de acordo com o Banco Mundial, cerca de 10% da população mundial carecia de qualquer espécie de acesso à eletricidade em 2018. A maior parcela destas pessoas sem eletricidade vive na África Subsaariana e nas áreas rurais de outros continentes. Nestes lugares, ou a infraestrutura elétrica é de baixa qualidade ou ela simplesmente inexiste [2]. Simultaneamente, surgiram tecnologias avançadas no segmento, tais como os recursos energéticos distribuídos (REDs), compostos pela geração distribuída (GD) e pelos equipamentos de armazenamento de energia, e os conversores de eletrônica de potência, que permitiram o aparecimento de uma nova forma de produção de energia elétrica caracterizada por ser de pequeno porte, eficiente, renovável, sustentável e próxima ou do lado do consumidor. Foi despertado, assim, um grande interesse dos usuários de eletricidade, antes extremamente distantes da produção, pela geração em suas próprias edificações, sejam elas residências, comércios ou indústrias. No Brasil, foi a Resolução Normativa 482 de 2012 da Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL) [3] que permitiu o acesso da GD ao sistema de distribuição de energia elétrica com a possibilidade de compensação por créditos pelo excedente Brazilian Applied Science Review Braz. Ap. Sci. Rev, Curitiba, v. 4, n. 6, p. 3888-3906 nov./dez. 2020 ISSN 2595-3621 3890 energético injetado na rede. Desde então, a adesão à GD tem sido cada vez maior. Não só isso, uma pesquisa de 2020 mostrou que 90% da população brasileira gostaria de gerar energia elétrica em sua própria casa [4]. Somam-se a estas transformações tecnológicas as maiores preocupações em relação ao meio ambiente. Os diferentes gêneros de poluição e suas consequências prejudiciais, a escassez de combustíveis fósseis, a degradação de florestas e rios e os perigos de usinas nucleares e seus resíduos estão causando comoção na sociedade, que tem exigido soluções energéticas limpas e verdes. Dentre os problemas ambientais, talvez o de maior relevância seja o das mudanças climáticas. O fenômeno do aquecimento global decorrente das ações humanas, sobretudo através da emissão de gases do efeito estufa, ameaça gravemente a humanidade e diversas espécies da fauna e da flora de todo o planeta. A temperatura média global já alcançou 1 °C acima dos níveis pré-industriais, sendo que os maiores aumentos foram observados somente nas últimas quatro décadas e há forte tendência de que o crescimento acelerado continue nos próximos anos [5], pondo em risco as metas limites de 1,5 °C e 2 °C firmadas no Acordo de Paris. O setor energético é responsável por boa parte das emissões e, por esse motivo, tem papel fundamentalna reversão da crise climática. É neste cenário que se materializaram as microrredes elétricas, sistemas que, basicamente, como o próprio nome indica, são redes elétricas relativamente menores, mas que englobam dentro de suas fronteiras: produção, distribuição e consumo de eletricidade. Em sua concepção moderna, elas integram os múltiplos REDs atrelados à eletrônica de potência com métodos avançados de controle para fornecer localmente eletricidade com maiores eficiência, confiabilidade e segurança, e menores custos financeiros e impactos ambientais. É preciso, portanto, que engenheiros, cientistas, pesquisadores e estudantes entendam minimamente estas tecnologias. Só assim as microrredes poderão ser adotadas maciçamente com todo seu potencial, cumprindo seus objetivos de melhorar o bem-estar geral, garantir acesso à eletricidade para todos e todas e reduzir drasticamente os efeitos negativos de origem energética na natureza. Este artigo busca, deste modo, preencher parte desta lacuna ao elucidar os assuntos capitais sobre microrredes de uma maneira simples e direta, dando base para compreensão e aprofundamento do tema. O artigo é dividido da seguinte forma. Inicialmente, as microrredes são definidas e algumas de suas características principais são apontadas. Depois, é apresentado um histórico da tecnologia e o estado atual de sua pesquisa e de seu desenvolvimento. A composição das microrredes é, então, descrita, explicando-se elementos como os REDs, a eletrônica de potência, os sistemas de proteção, a cogeração e as cargas. Por fim, são discutidas as estratégias de controle utilizadas em microrredes, assinalando suas classificações e aplicações. Conclusões encerram o artigo. Brazilian Applied Science Review Braz. Ap. Sci. Rev, Curitiba, v. 4, n. 6, p. 3888-3906 nov./dez. 2020 ISSN 2595-3621 3891 2 DEFINIÇÃO E CARACTERÍSTICAS DE MICRORREDES Microrredes (ou minirredes) são sistemas elétricos completos, locais, delimitados, pequenos e controláveis que podem operar ilhados ou conectados à rede elétrica convencional. Cada uma destas características pode ser detalhada individualmente. São completos no sentido de abarcarem produção, fornecimento e consumo de energia elétrica ligados entre si em uma única entidade [6]. Elas são locais porque a geração é sempre próxima dos usuários, sendo particulares a determinado lugar e à vida das pessoas que ali habitam. Esta propriedade está diretamente relacionada ao uso dos REDs, fazendo das microrredes meios ativos e participativos para sua integração [7]. Já ser delimitada requer que uma microrrede não se expanda além de uma área reduzida, seja dotada de número restrito de integrantes e tenha fronteiras elétricas bem definidas [8]. Quanto à atribuição “pequena”, pode se falar em duas frentes, uma sobre a extensão física e outra em termos elétricos, ambas instituídas apenas em relação à rede elétrica convencional. Não há um consenso entre os autores na literatura sobre esta condição e as microrredes podem ter tamanhos variados. Elas são fisicamente pequenas por não ocuparem, geralmente, espaços com áreas cujo raio exceda as dezenas de quilômetros, não alcançando as dimensões dos sistemas elétricos tradicionais, que chegam a ter magnitudes nacionais. As microrredes são, por sua vez, eletricamente pequenas por terem, no total, potências que não ultrapassam as dezenas de MW e por serem sistemas de baixa e média tensões somente [9]. Ser controlável significa que todos os seus elementos estão sob domínio próprio ou são direcionados por um dispositivo supervisor interno, sendo, portanto, comandados e regulados prioritariamente no interior da própria microrrede. Por fim, é pertinente às microrredes a autonomia, podendo trabalhar nos modos ilhado ou conectado a uma rede principal. O primeiro se refere ao suprimento de energia elétrica feito unicamente pelos próprios REDs da microrrede, cujas capacidades de produção são, em regra, suficientes para alimentar as cargas locais, sem recebe-la ou fornecê-la através de recursos externos. No segundo caso, a microrrede é sincronizada e interconectada a uma rede de uma concessionária e importa e exporta energia dela [10]. De outra maneira, uma microrrede opera ilhada quando ela gera suas próprias referências de tensão e de frequência e em paralelo ou conectada à rede na situação oposta [11]. É importante ressaltar que uma distinção deve ser feita entre microrredes e sistemas isolados. Estes últimos são formados por uma única fonte de energia elétrica, que fica, muitas vezes, diretamente ligada às suas cargas. Logo, os sistemas isolados não têm uma organização similar à rede elétrica tradicional com linhas de distribuição. Em vista disso, são microrredes apenas aqueles sistemas elétricos que possuem dois ou mais REDs conectados em paralelo para suprir o consumo local de várias cargas. Brazilian Applied Science Review Braz. Ap. Sci. Rev, Curitiba, v. 4, n. 6, p. 3888-3906 nov./dez. 2020 ISSN 2595-3621 3892 Esta definição dada para as microrredes sugere outras características que não constituem necessariamente sua acepção, mas que são cruciais ou, ao menos, desejáveis para uma operação aprimorada. A primeira delas é que, como são sistemas locais, delimitados e pequenos, as microrredes são, naturalmente, mais eficientes pelas baixas perdas elétricas em distribuição. A segunda é uma das maiores vantagens das microrredes e que as diferencia substancialmente das redes elétricas tradicionais. Enquanto estas são invariavelmente estabelecidas por usinas termoelétricas, hidroelétricas ou nucleares centralizadas de grande porte, afastadas dos centros de consumo e conectadas por linhas quilométricas de transmissão, aquelas podem ter as mais diversas arquiteturas. À nível de produção, as tecnologias podem ser as mais variadas, em quantidade e em qualidade, devido à abundância de tipos de REDs no mercado, o que permite o aproveitamento da geografia da região e dos recursos naturais à disposição, além de serem levadas em conta a capacidade econômica e as escolhas sociais dos participantes da microrrede. A construção e a instalação seguem premissas análogas, admitindo topologias que podem ser radiais ou em malha [12], dependendo da contingência local. As microrredes também são assinaladas por terem propriedades elétricas distintas. Não há restrições quanto aos níveis de tensão de operação escolhidos para a microrrede e as frequências não precisam ser os típicos 50 Hz ou 60 Hz. De forma parecida, as potências instaladas de REDs e de cargas não são fixas e podem, até mesmo, mudar ao longo do tempo com a entrada ou a saída de unidades. As microrredes podem ser monofásicas ou trifásicas e classificadas em CA, CC ou híbridas, quando possuem parcelas das duas primeiras [13]. Deste modo, a arquitetura da microrrede poderá ser especialmente desenvolvida para atender as cargas com suas necessidades elétricas específicas. Outros aspectos relevantes para microrredes são a flexibilidade e a confiabilidade. Poder transitar entre modos ilhado e conectado à rede torna apenas em parte as microrredes sistemas flexíveis. Para que elas sejam verdadeiramente flexíveis, deverão ter outras funções. Quando integradas a uma rede externa, as microrredes poderão ser importadoras ou exportadores de energia elétrica e prover serviços ancilares [14]. Seus componentes, para garantirem ainda mais flexibilidade, devem ter características “ligar-e- usar” (“plug-and-play”), pela qual REDs podem ser conectados e desconectados da microrrede a qualquer momento e em qualquer parte, sem que o controle e a proteção gerais sejam afetados, e “par- a-par” (“peer-to-peer”), denotando que não exista na microrrede um elemento crítico para seu funcionamento [15]. Uma maior confiabilidade se traduz na continuidade da alimentação das cargas da microrrede. Ela deve ser capaz de assegurarque o maior número de consumidores esteja recebendo energia elétrica no máximo de tempo possível e, de preferência, com os melhores níveis de qualidade da energia. Brazilian Applied Science Review Braz. Ap. Sci. Rev, Curitiba, v. 4, n. 6, p. 3888-3906 nov./dez. 2020 ISSN 2595-3621 3893 Finalmente, é interessante que a microrrede seja inteligente [16]. Sendo assim, ela poderá assimilar estratégias de controle para que a operação seja otimizada e totalmente automatizada. Em contraste com as redes elétricas convencionais, as microrredes não terão, em sua maioria, supervisão humana direta. Para depender menos de operadores externos ou de seus membros, que podem ser leigos e não sejam treinados, elas terão que monitorar ininterruptamente suas condições e trabalhar com os próprios mecanismos, dados e informações para reverter qualquer situação adversa. As microrredes inteligentes serão preparadas para gerenciar o balanço energético e fazer outras atividades benéficas, tão díspares como regulação de tensão e frequência, comércio de energia e redução da poluição, sem intervenção humana. 3 HISTÓRICO, PESQUISA E DESENVOLVIMENTO DE MICRORREDES Os primeiros sistemas elétricos, que surgiram na segunda metade do século XIX, eram, essencialmente, microrredes. Pequenos geradores eram instalados nas proximidades ou mesmo dentro dos edifícios e forneciam eletricidade para as residências e os comércios nos arredores por meio de linhas de distribuição curtas. As maiores diferenças para as microrredes modernas são os dispositivos e métodos avançados aplicados hoje em dia e serem exclusivamente ilhadas no passado. Por isso e por serem as primeiras, a origem, elas podem ser chamadas de microrredes primitivas e alguns exemplos históricos podem ser citados. O sistema de iluminação de Paris, na França, de 1878, usava dínamos posicionados em porões que eram conectados às lâmpadas por cabos subterrâneos [17]. Os primeiros sistemas elétricos públicos, de 1881, das cidades inglesas Godalming e Chesterfield eram formados por pequenas hidroelétricas ou dínamos para fornecer eletricidade [18]. A estação de energia elétrica de Pearl Street, de 1882, de Thomas Edison, entregava energia elétrica CC em até uma milha para edifícios e comércios em um distrito financeiro de Nova Iorque, nos Estados Unidos. O modelo desta microrrede primitiva fez grande sucesso na época e foi replicado em diversas outras cidades estadunidenses e da Europa [19]. Nos anos 1890, em Berlim, na Alemanha, em Londres, na Inglaterra, e em Chicago, nos Estados Unidos, foram erigidas microrredes primitivas geridas por um grande número de empresas e companhias diferentes [20]. A disseminação das microrredes primitivas durou pouco e elas logo foram substituídas pelos arquétipos de redes elétricas convencionais que perduram até hoje em vários países. Essas mudanças têm raízes tecnológicas, políticas, econômicas e sociais que não serão detalhadas aqui, mas que podem ser vistas em [19]. O que é interessante notar é que o sistema elétrico quase não evoluiu efetivamente durante todo o século XX. Entretanto, nos anos 1970, as intensas crises do petróleo impactaram Brazilian Applied Science Review Braz. Ap. Sci. Rev, Curitiba, v. 4, n. 6, p. 3888-3906 nov./dez. 2020 ISSN 2595-3621 3894 agudamente todo o mundo [21] e fizeram com que diversas nações buscassem novas soluções para garantir a segurança energética [22]. Dali em diante, os REDs e a eletrônica de potência progrediram rapidamente e pavimentaram o caminho para o nascimento das microrredes modernas. Outra tecnologia crucial para que isso acontecesse foram as fontes de energia ininterruptas (UPS - Uninterruptible Power Supply) distribuídas [23]. As ideias de paralelismo de conversores, as transições entre modos ilhado e conectado à rede e os métodos de controle tiveram origem na pesquisa e aplicação destes aparelhos elétricos nos anos 1980 e 1990. A expressão “microrredes”, conforme empregada no setor de energia elétrica, apareceu isoladamente pela primeira vez, ao que tudo indica, em um artigo de 1986, onde se descreve uma microrrede desenvolvida para a estação terrestre remota INMARSAT na Antártica [24]. Contudo, o conceito, agregando tecnologias e técnicas inovadoras e todas as características anteriormente descritas, foi solidificado somente com os trabalhos seminais do Consortium for Electric Reliability Technology Solutions (CERTS) no ano 2000 [6], [25]. Nos anos seguintes até o presente, a pesquisa e os projetos sobre microrredes prosperaram vigorosamente. Por ser uma tecnologia ampla e multifacetada, as investigações científicas são igualmente variadas. Existem esforços para entender e desenvolver melhor seus componentes, como os REDs e a eletrônica de potência, seus métodos de controle, sua operação geral, o gerenciamento de energia, a conexão com a rede, seus instrumentos de proteção, seus meios de comunicação, dentre inúmeros outros tópicos [26]. A diversidade das microrredes se reflete em suas aplicações. Elas podem ser encontradas em segmentos tão vastos como: institucionais, escolares/universitários, da saúde, residenciais, comerciais, industriais, militares, comunitários, remotos e das concessionárias [27]. As microrredes também são constatadas em todas as regiões do mundo, estando divididas 37% na Ásia-Pacífico, 33% na América do Norte, 14% no Oriente Médio e na África, 11% na Europa e 5% na América Latina (em 2019) [28]. Neste mesmo ano, globalmente, contava-se com 3,2 GW de capacidade de microrredes, enquanto a previsão para 2027 é de aproximadamente 16 GW [29]. 4 COMPOSIÇÃO DAS MICRORREDES As estruturas das microrredes são, normalmente, como foi visto, únicas e podem diferir muito umas das outras. Todavia, alguns elementos estão presentes em qualquer uma delas, independentemente de suas arquiteturas. A seguir são delineados estes elementos fundamentais das microrredes e suas particularidades. É claro que elas são formadas por cabos, postes e/ou estruturas subterrâneas e que estes artefatos são primordiais para se fazer o fornecimento de energia elétrica. Porém, estes não serão Brazilian Applied Science Review Braz. Ap. Sci. Rev, Curitiba, v. 4, n. 6, p. 3888-3906 nov./dez. 2020 ISSN 2595-3621 3895 abordados porque não fogem do que já se conhece pelas redes elétricas tradicionais. O que se apresenta em seguida são aqueles dispositivos que são essenciais para a realização do funcionamento de uma microrrede e as funções que os distinguem do convencional. 4.1 RECURSOS ENERGÉTICOS DISTRIBUÍDOS As tecnologias basilares de uma microrrede, juntamente com as linhas de distribuição e as cargas, são os REDs. Sem eles, definitivamente não se teriam microrredes. De fato, como se discutiu previamente, um dos objetivos na adoção de microrredes é justamente integrar e aproveitar todos os benefícios dos REDs. Eles são divididos em GD e armazenamento de energia. Uma fonte de GD pode ser definida genericamente como um equipamento para produção de energia elétrica que pode ser instalado e operar sem grandes restrições de localização geográfica, física ou de ponto de conexão elétrica (transmissão, distribuição, lado do consumo ou isolada) e de capacidade de potência [30]. Por estes atributos, as unidades de GD são, comumente, de menor porte, descentralizadas e mais próximos dos consumidores do que as grandes usinas tradicionais [31], [32]. As tecnologias de GD para microrredes incluem os sistemas fotovoltaicos, as células a combustível, as turbinas eólicas, as pequenas hidroelétricas, os pequenos geradores térmicos e a bioenergia [33], [34]. Suas saídas podem ser CC, como acontece para as duas primeiras, ou CA, para o restante. Elas podem ainda ser classificadas em despacháveis ou não. Ou seja, a produção pode acontecer continua e constantemente de acordo com as necessidadesou podem ser variáveis e intermitentes. Este último caso, que é o da energia solar fotovoltaica, eólica e das pequenas hidroelétricas, está ligado à forte dependência das forças da natureza para geração primária de energia. As fontes ainda podem ser categorizadas como renováveis ou não. Isto é, os recursos energéticos são renováveis se podem ser reabastecidos dentro de um período de tempo curto através dos ciclos naturais em relação às atividades humanas, provindo direta ou indiretamente da energia solar [35]. Com exceção dos pequenos geradores térmicos alimentados a combustíveis fósseis, como o diesel, as outras fontes enumeradas são todas renováveis. A GD é menos rígida que suas semelhantes tradicionais e pode fazer mais que a produção de potência ativa. Alguns exemplos nesse sentido são: aprimorar os níveis de qualidade da energia e do serviço, corrigir o fator de potência, diminuir a distorção harmônica, fazer regulação da tensão, dar suporte à rede com serviços ancilares, reduzir perdas nas linhas e evitar custos futuros de expansão da rede [36], [37]. Como a energia elétrica deve ser consumida no mesmo instante em que é produzida, aparelhos foram elaborados para que se adiasse sua aplicação para quando desejado. Os equipamentos de armazenamento transformam esta energia elétrica em outra forma de energia que pode ser poupada para uso posterior, quando é restaurada como eletricidade. São dispositivos desta categoria para emprego em Brazilian Applied Science Review Braz. Ap. Sci. Rev, Curitiba, v. 4, n. 6, p. 3888-3906 nov./dez. 2020 ISSN 2595-3621 3896 microrredes as baterias, os supercapacitores, flywheels, o armazenamento por ar comprimido e por usinas hidroelétricas reversíveis ou de bombeamento [38]. Afora sua tarefa original, os dispositivos de armazenamento de energia auxiliam os sistemas nos quais são interligados ao melhorar qualidade da energia, dar suportes de tensão e de frequência, compensar desequilíbrios e atuar no balanço energético [39]. Neste quesito, o armazenamento soluciona parcialmente os problemas de variabilidade e intermitência de algumas fontes de GD, permitindo uma operação mais previsível e próxima da despachável e aumentando a confiabilidade geral da microrrede [40]. Como se vê, os REDs são o núcleo das microrredes. Além da produção e do armazenamento de energia elétrica, eles concretizam todo o potencial positivo das microrredes. É o enorme leque de opções de REDs que proporciona a grande diversidade e flexibilidade das configurações de microrredes. Com isso, elas podem ser projetadas e edificadas não mais como os sistemas elétricos convencionais que dependem de circunstâncias severamente restritas, são alinhados em organizações verticais e afetam negativamente o meio ambiente. Os REDs permitem que as microrredes não sejam meros aglomerados de dispositivos para suprimento de eletricidade e, sim, tecnologias que aumentam consideravelmente a qualidade e a confiabilidade no fornecimento de energia elétrica em estruturas que são adaptadas às necessidades de seus usuários, aproveitem as condições locais e criem espaços mais sustentáveis. 4.2 ELETRÔNICA DE POTÊNCIA Dispositivos de eletrônica de potência, nomeados conversores estáticos, alteram e controlam eficientemente as características elétricas de fontes de energia por meio do chaveamento de elementos semicondutores. Entradas CC fixas podem ser convertidas em saídas CC variáveis ou CA diversas. Entradas CA, por sua vez, em saídas CC distintas ou CA de amplitudes de tensão e frequências diferentes [41]. A eletrônica de potência é, habitualmente, interface dos REDs [42], estando presente entre eles e seu ponto de acoplamento na microrrede. Por um lado, ela adequa a saída das unidades em magnitude de tensão, em corrente (CA ou CC) e em frequência para as condições em que funciona a microrrede na respectiva área de conexão. Por outro lado, ela aprimora a operação das tecnologias de GD e armazenamento ao, por exemplo, fazer o melhor aproveitamento de energia via técnicas de rastreamento de ponto de máxima potência (MPPT – Maximum Power Point Tracking) em sistemas fotovoltaicos [43] e eólicos, além de aumentar o controle da velocidade para este último [44], assegurar a estabilidade de pequenas hidroelétricas [46], regular a tensão em células a combustível [45], regular a frequência de saída de microturbinas com elevada rotação [47], fazer o controle de carga em dispositivos de armazenamento de energia [48], entre várias outras vantagens [49]. Especificamente para as microrredes modernas, a eletrônica de potência é de suma importância em todos os seus processos. Uma vez que os REDs estão, em quase sua totalidade, associados a ela, a Brazilian Applied Science Review Braz. Ap. Sci. Rev, Curitiba, v. 4, n. 6, p. 3888-3906 nov./dez. 2020 ISSN 2595-3621 3897 operação básica das microrredes é apoiada no paralelismo de conversores. A eles são dadas as incumbências do compartilhamento adequado de potências e da criação e seguimento de referências de tensão e de frequência [50]. Mais ainda, todas as estratégias de controle são conduzidas e executadas através destes conversores estáticos. Também é deles a missão de implementar a transição entre modos ilhado e conectado à rede, incluindo aí a sincronização entre as microrredes e um sistema elétrico principal [51]. Enquanto os REDs expandem as possibilidades de construção das microrredes, é a eletrônica de potência que diversifica e flexibiliza seus alicerces puramente elétrico e operacional. 4.3 PROTEÇÃO A arquitetura, o funcionamento e os componentes das microrredes, que são divergentes do tradicional, resultam em esquemas especiais de proteção. Sendo sistemas mais dinâmicos, técnicas inovadoras precisam ser adotadas. Algumas das condições que se pode deparar em microrredes são: fluxos bidirecionais de potência, alta quantidade de conversores estáticos no lado da produção que limitam a magnitude das correntes de curto-circuito, REDs variáveis e intermitentes, topologias amplamente flexíveis, alteração nas correntes de falta dependendo se o modo é ilhado ou conectado à rede e a transição entre estes modos, fora as especificidades de cada microrrede [52]. A abordagem de atuação dos dispositivos de proteção deve, portanto, considerar todas essas exigências. Adicionalmente, as microrredes precisam se desconectar imediatamente da rede principal quando uma falha for detectada externamente e isolar a parcela com defeito se o problema for interno [53]. Estes fenômenos mostram que os elementos de proteção devem ser instalados em pontos estratégicos da microrrede, como na saída de REDs, entre ela e o sistema elétrico externo e, algumas vezes, em barramentos de carga. Outros requisitos a serem observados quanto à proteção de microrredes são: ressincronização com a rede, separação espúria de componentes, a velocidade de resposta e a sensibilidade dos equipamentos e o monitoramento e a comunicação entre os dispositivos. Estas dificuldades podem ser contornadas por novos esquemas de proteção, como os métodos centralizados, diferenciais, de distância, de reconhecimento de padrões e adaptativo [54]. De todos, esta última solução tem se destacado por atenuar os efeitos da maioria das complexidades de proteção em microrredes. 4.4 COGERAÇÃO Uma microrrede também pode ser uma rede de fornecimento de calor para seus integrantes. A produção de energia térmica, aqui, é realizada pelo processo de cogeração. Nele, o calor residual de fontes de energia elétrica, como células a combustível e pequenos geradores térmicos, é aproveitado de forma útil no próprio sistema ou em outras atividades locais [15]. Os projetistas de microrredes devem se atentar a alguns pontos sobre a cogeração. As perdas térmicas são maiores que as elétricas em relação Brazilian Applied Science Review Braz. Ap. Sci.Rev, Curitiba, v. 4, n. 6, p. 3888-3906 nov./dez. 2020 ISSN 2595-3621 3898 à distância de transmissão. Sendo assim, para cogeração mais eficiente, a proximidade dos focos de consumo de calor às unidades de GD precisa ser preferencialmente menor do que a das cargas elétricas na disposição dos componentes da microrrede. Outra questão a ser apontada é que a demanda por calor não está sujeita à mesma dinâmica que a sua análoga por eletricidade. A cogeração, contudo, tem uma fonte de calor como consequência do uso de uma para produção de energia elétrica e, por isso, a distribuição desta última deve ser priorizada. Observa-se que, quando há reaproveitamento nos geradores, a eficiência térmica passa de aproximadamente 40% para 70% a 90% [34]. Logo, se a cogeração é bem aplicada, ela não só proporciona mais serviços disponíveis para os membros das microrredes, como aumenta significativamente sua eficiência total. 4.5 CARGAS As cargas são todos os objetos de consumo de energia elétrica que compõem as microrredes. Elas são os mesmos aparelhos, máquinas e equipamentos eletroeletrônicos que primordialmente absorvem potência ativa e que as pessoas utilizam corriqueiramente nas redes elétricas convencionais. Aliás, as microrredes devem estar aptas a suprir em suas dependências quaisquer tipos de cargas para as quais foram planejadas e que nelas forem conectadas. No entanto, o que não é igual para elas nas microrredes é o modo em que são usadas. Tentando manter o elevado nível de confiabilidade das microrredes ilhadas, que podem fortuitamente sofrer perdas de unidades de REDs, graus de sensibilidade podem ser definidos para as cargas. Como, para se ter qualidade e estabilidade, o equilíbrio energético deve ser mantido, as cargas são divididas em sensíveis (ou críticas), controláveis e não-sensíveis (não-críticas) [25], [9]. As primeiras são aquelas que não podem parar de ser alimentadas em qualquer circunstância e que têm prioridade na potência disponível em modo ilhado. É o caso de equipamentos hospitalares, alguns processos fabris e aparelhos de emergência. Na segunda categoria estão aquelas cargas que podem variar o consumo diante de situação anormal sem afetar gravemente os usuários, tais como determinados sistemas de iluminação e ventilação. Por fim, as últimas são as cargas de menor relevância que podem ser desligadas quando da falta de energia elétrica suficiente gerada na microrrede ilhada ou as que foram programadas para funcionar apenas no modo conectado à rede. Ainda visando o balanço energético, outra proposta sobre as cargas é aplicar técnicas de gerenciamento do lado da demanda (DSM – Demand Side Management) [26]. Alguns destes métodos podem ser registrados. Os membros da microrrede podem receber incentivos financeiros ou os preços da eletricidade podem ser flutuantes para reduzir o consumo em determinados horários do dia ou em ocasiões adversas. As cargas podem ser monitoradas e controladas em tempo real. Mesmo a educação dos participantes sobre o uso consciente de energia elétrica e as decisões favoráveis à aquisição de Brazilian Applied Science Review Braz. Ap. Sci. Rev, Curitiba, v. 4, n. 6, p. 3888-3906 nov./dez. 2020 ISSN 2595-3621 3899 equipamentos mais eficientes são avaliadas como boas práticas de DSM e podem ser facilmente cumpridas em microrredes. 5 SISTEMAS DE CONTROLE PARA MICRORREDES Os métodos de controle regem toda a operação das microrredes. Implementados nos conversores estáticos e em outros dispositivos, eles desempenham o gerenciamento de toda a complexidade destes sistemas imensamente dinâmicos e versáteis. Ora, a começar pelos múltiplos REDs que são acompanhados de conversores estáticos. As técnicas de controle devem ser capazes de, no mínimo, empreender o paralelismo entre estas unidades e exercer o compartilhamento de potências ativa e reativa [55]. Como previamente relatado, do outro lado, o do consumo, mesmo as cargas, antes elementos predominantemente passivos, agora são ativas e trabalham sob controle. É ainda encargo das estratégias de controle efetuar a transição entre modos ilhado e conectado à rede, preparando a sincronização entre os dois sistemas e coordenando o fluxo energético entre eles e os serviços ancilares [56]. Estas são as atribuições, pode se dizer, vitais dos controles em microrredes. Os sistemas de controles para microrredes, que tem como variáveis principais o nível de tensão, a frequência e as potências, podem ser classificados em dois grupos principais: centralizado e descentralizado (ou distribuídos), sendo comum uma combinação de competências de um e de outro [57]. Na estratégia de controle completamente centralizada, os elementos da microrrede são comandados por um único dispositivo supervisório central que troca informações com eles e delibera quanto será produzido por cada um e como se configurarão suas saídas em tensão e frequência. Esta organização depende, assim, de linhas de comunicação robustas. Em [58] é reportado um caso no qual um componente central administra o funcionamento de todos os REDs e as cargas, controlando o fluxo de potências interno e externo com a rede. Quando se tem um controle totalmente descentralizado, são os próprios REDs que empenham a direção de suas saídas elétricas, fazendo monitoramentos e cálculos internos, sem qualquer comunicação entre unidades. Um caso popular desta categoria é o método de controle droop convencional [59]. Nele, os conversores fazem medições locais de tensão e corrente para determinar as potências ativa e reativa geradas por eles. A referência de tensão da unidade é, então, criada obtendo-se valores de frequência e de tensão pela aplicação de equações de droop nos dados de potências, o que permite o paralelismo entre os REDs e o compartilhamento adequado das cargas entre eles automaticamente e sem comunicação. Uma outra tendência amplamente difundida é o controle hierárquico [7]. Sob esta perspectiva, os controles são segmentados em quatro níveis hierárquicos. As malhas internas dos conversores são consideradas como controle zero ou interno. O controle primário estabelece a operação básica no modo ilhado, abordando o compartilhamento de potências, o paralelismo das unidades e a geração de Brazilian Applied Science Review Braz. Ap. Sci. Rev, Curitiba, v. 4, n. 6, p. 3888-3906 nov./dez. 2020 ISSN 2595-3621 3900 referências de tensão e de frequência. O método de controle droop é uma solução regularmente empregada neste plano. O controle secundário é responsável por corrigir os desvios do controle primário em tensão e em frequência que ocasionalmente possam ocorrer para seus valores nominais. No topo da pirâmide hierárquica se encontra o controle terciário, que é dedicado a sincronizar e conectar a microrrede com uma rede externa e governar o fluxo de potências entre elas. Os controles específicos dos REDs podem, por seu turno, ser divididos em formadores de rede (“grid-forming”) e seguidores de rede (“grid-following”) [10]. Os primeiros regulam e definem as referências de tensão e de frequência em uma microrrede. É exatamente o que faz o método de controle droop acima descrito. Os REDs que cumprem este posto devem ser despacháveis, já que a operação do restante da microrrede, ao menos em modo ilhado, será condicionada por estes controles. Os seguidores de rede (“grid-following”), por outro lado, são voltados para o provimento de potência, acompanhando os sinais de tensão e de frequência produzidos pelos formadores de rede (“grid-forming”). Os REDs deste conjunto usualmente são aqueles que integram técnicas de MPPT e têm regimes variáveis e intermitentes de produção, como os sistemas fotovoltaicos e as turbinas eólicas. Em um futuro próximo, quando as redes elétricas inteligentes (smart grids) forem o padrão, os controles também precisarão fornecer os instrumentos paraque as várias microrredes inteligentes sejam conectadas entre si [60]. Elas trocarão potências e informações com suas vizinhas e poderão comercializar a energia excedente. Os métodos de controle precisam garantir que tais operações sejam seguras e confiáveis, sem que a falha em uma microrrede afete as adjacentes. 6 CONCLUSÕES Existe um gigantesco potencial na adoção das microrredes elétricas. Neste trabalho foi possível entender como elas podem transformar o setor elétrico convencional em seus vários níveis para torna-lo mais moderno, confiável, controlável, seguro, eficiente, de maior qualidade, flexível, econômico, renovável, sustentável, limpo e acessível. O elevado número de vantagens fica claro ao se compreender como a tecnologia das microrredes funciona, seus componentes, quais suas origens e seus propósitos. Futuramente, espera-se que elas estejam densamente espalhadas por todo o planeta, sendo bem utilizadas no cotidiano das pessoas e que sirvam em benefício da humanidade e da natureza. Para que isso aconteça efetivamente e as microrredes passem de meros objetos de estudo teórico e pesquisa experimental para uma aplicação corriqueira da sociedade, é preciso que um grande número de engenheiros, cientistas, pesquisadores e estudantes ampliem seus conhecimentos sobre este tópico a fim de poderem contribuir com o desenvolvimento tecnológico requerido neste setor. Este artigo buscou trazer uma visão geral sobre microrredes que auxiliasse nesse desígnio. Brazilian Applied Science Review Braz. Ap. Sci. Rev, Curitiba, v. 4, n. 6, p. 3888-3906 nov./dez. 2020 ISSN 2595-3621 3901 O campo de pesquisa das microrredes é extremamente vasto, espelhando suas características intrínsecas. Assim, algumas poucas, mas relevantes conclusões gerais sugerindo estudos e ações posteriores podem ser citadas. Em primeiro lugar, devem ser aprimoradas as técnicas e as tecnologias empregadas nas microrredes para que elas sejam aproveitadas ao máximo, viabilizando todas as suas capacidades, com níveis altos de confiabilidade e qualidade da energia, de flexibilidade e inteligência. Segundo, qualquer componente da microrrede deve ser dos tipos “ligar-e-usar” (“plug-and-play”) e “par- a-par” (“peer-to-peer”), além de expressivamente eficientes e com mínimo impacto negativo ambiental. Terceiro, as arquiteturas de microrredes não podem ter restrições construtivas, a menos da segurança, pois a diversidade permite que as instalações se baseiem nas necessidades sociais locais e nos recursos disponíveis. Quarto, os métodos de controle precisam evoluir substancialmente para que as microrredes sejam plenamente automatizadas, otimizando processos, dando segurança aos seus participantes e prescindindo de constantes manutenções. Quinto, é urgente a transferência de tecnologias de microrredes de países desenvolvidos para os menos desenvolvidos, pois estes últimos são, ao mesmo tempo, os mais afetados pela falta de tecnologias inovadoras e de acesso à eletricidade. Sexto, debates entre especialistas e o público leigo precisam ser fomentados para determinar as estruturas legislativas, de negócios e ambientais que apoiarão as microrredes em cada região. Afinal, é preciso lembrar que, por definição, as microrredes são sistemas elétricos mais democráticos que os tradicionais. Por fim, aconselha-se que mais informações sobre o tema sejam disseminadas, não só entre os conhecedores da área, mas também a toda a população para que haja educação, conscientização e aceitação antes da implementação generalizada. Enfim, seguindo essas direções e tendo em mente que a finalidade de qualquer tecnologia é tornar melhor a vida individual e em sociedade, preservando e conservando os recursos naturais, utilizar as microrredes terá apenas consequências positivas. Pessoas que usufruem diariamente de seus vários aparelhos e equipamentos eletroeletrônicos e pessoas que nunca sequer puderam ter contato com nenhum dos bens e serviços provenientes da eletricidade poderão igualmente elevar a qualidade e a dignidade de suas vidas com as microrredes. Tudo isso promovendo o desenvolvimento sustentável. As microrredes podem, de fato, mudar profundamente como os seres humanos lidam com a produção, o fornecimento e o uso da energia elétrica. AGRADECIMENTOS Este estudo foi financiado em parte pela Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) - Código Financeiro 001. Além disso, os autores gostariam de agradecer à Universidade Federal de Uberlândia (UFU), Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica - FEELT, ao CNPq (Processo: 303350/2019-9) e à FAPEMIG (Processo PPM-00485-17). Brazilian Applied Science Review Braz. Ap. Sci. Rev, Curitiba, v. 4, n. 6, p. 3888-3906 nov./dez. 2020 ISSN 2595-3621 3902 REFERÊNCIAS [1] International Energy Agency (IEA), “Electricity Information 2020: Overview,” 2020. IEA, Paris. Disponível em: https://www.iea.org/reports/electricity-information-overview [2] Banco Mundial, “Atlas of Sustainable Development Goals 2020,” 2020. Disponível em: https://datatopics.worldbank.org/sdgatlas/ [3] Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL), “Resolução Normativa nº 482, de 17 de abril de 2012,” 2012. Disponível em: http://www2.aneel.gov.br/cedoc/ren2012482.pdf [4] IBOPE Inteligência, Associação Brasileira dos Comercializadores de Energia (ABRACEEL), “Pesquisa de Opinião Pública: Energia Elétrica,” 2020. 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