O BESS (Battery Energy Storage System) refere-se ao sistema de armazenamento de energia por baterias utilizado para armazenar e fornecer energia elétrica conforme a demanda, contribuindo para a estabilidade e flexibilidade da rede. É caracterizado pela sua capacidade de fornecer flexibilidade operacional e, num nível mais complexo, serviços ancilares à rede. É disto que iremos tratar …
O sistema BESS, através do controle rápido de potência ativa (P) e reativa (Q), suportando tensão e frequência, ajuda a amortecer oscilações e reduzir variações (rampas) associadas à geração renovável. Da mesma forma melhora a qualidade de energia, mitigando afundamentos de tensão e flutuações e permite a redução de picos de demanda, o famoso peak shaving. Pode ainda prestar suporte em contingências, elevando a confiabilidade e a resiliência do sistema inclusive viabilizando operação ilhada e black start quando implementado com estratégias como Grid Forming/VSG.
O “controle rápido” de potência ativa (P) e reativa (Q) é relevante porque frequência (P-f) e tensão (Q-V) são variáveis do sistema determinadas por equilíbrios físicos que podem se degradar em poucos ciclos quando ocorre uma perturbação. Normalmente blackouts ocorrem por desequilibros destes dois itens causados por desbalanceamento de P/Q da rede em seu balanço instantâneo no sistema.
Regularmente um déficit de P (carga > geração) passa a ser suprido pela energia cinética das máquinas síncronas (ou por fontes equivalentes), causando, como consequência, queda de frequência e elevação do ROCOF, ou seja, elevado Rate of Change of Frequency (taxa de variação temporal da frequência, tipicamente em Hz/s).
Já o BESS, neste mesmo cenário, quando conectado ao grid e, ao injetar/absorver P em dezenas de milissegundos, reduz este desbalanço, diminui o ROCOF e melhora o deficit de frequência, dando tempo para respostas mais lentas de máquinas síncronas mecânicas. Este é um típico exemplo de serviço ancilar, que deve fazer parte da nova regulamentação do BESS no Brasil, já existente e remunerado em outros paises até da América Latina como Chile e Argentina.
Já em casos de défict de Q, também comum nos sistemas de potência, o BESS instalado, altera o fluxo reativo e o perfil de tensão local, mitigando afundamentos/elevações e melhorando margens de estabilidade de tensão.
Como o VSC, conversor fonte de tensão, tem certo limite de corrente e, ocasionalmente déficits de P e Q podem competir entre si e, em contingências e eventos de subtensão, é comum priorizar Q (suporte de tensão) e reduzir P temporariamente para permanecer dentro de limites e cumprimento de requisitos de ride-through, ou seja, estabilidade dinâmica.
Em termos de engenharia, essas funções são viabilizadas por conversores eletrônicos de potência, os VSCs bidirecionais, isto é, conversores fonte de tensão com interface em corrente alternada e barramento em corrente contínua capaz de operar como inversor e como retificador, absorvendo e injetando potência.
Em um BESS, o VSC faz a interface entre a bateria e a rede (via conversor CC/CC e barramento CC e conversor CC/CA e barramento CA) permitindo fluxo de potência nos dois sentidos: descarga (CC→CA, injetando potência ativa) e carga (CA→CC, absorvendo potência ativa).
Entre o VSC e a rede há os filtros L (um indutor em série na saída do conversor) e LCL (arranjo indutor–capacitor–indutor) e são usados para atenuar harmônicos de chaveamento (ripple) gerados pelo PWM, reduzir distorção de corrente (THD) e limitar a taxa de variação de corrente (di/dt).
O filtro L é mais simples e robusto, porém requer indutâncias maiores para a mesma atenuação em altas frequências. Já o filtro LCL oferece maior atenuação de harmônicos com componentes menores, mas introduz uma frequência de ressonância que precisa ser amortecida evitando amplificação de correntes e instabilidades pela interação conversor–rede, algo semelhante, no extremo, ao príncipio noise-cancelling dos fones de ouvidos mais modernos.
Além de comandar potência ativa, o VSC controla potência reativa para suporte de tensão, podendo operar nos quatro quadrantes de P–Q dentro dos limites de corrente e tensão do conversor.
No nível mais interno, o conversor controla correntes (e, quando aplicável, tensões) em eixos P/Q, respeitando limites de corrente e tensão do semicondutor. Já em camadas superiores, o controlador gera referências de potência ativa e reativa para cumprir objetivos do sistema, através de:
- regulação de frequência por meio de controle de potência ativa (P) com respostas em dezenas de milissegundos (FFR) e/ou participação em controle primário via característica de droop P–f;
- regulação de tensão por meio do controle de potência reativa (Q) e/ou tensão de barra com droop Q–V e compensação de queda em impedâncias;
- amortecimento de oscilações eletromecânicas e modos de baixa frequência por controladores suplementares que modulam P e/ou Q; e
- suporte a contingências e eventos de qualidade de energia via estratégias de ride-through (LVRT/HVRT), em que o BESS injeta/absorve corrente reativa e limita corrente ativa durante afundamentos/elevações de tensão conforme requisitos de rede.
Em resumo, são serviços ancilares e funções de controle como suporte de frequência a estabilização do sistema após desequilíbrios geração–carga onde o controlador mede a frequência (ou ROCOF — Rate of Change of Frequency em Hz/s) na barra e ajusta a potência ativa do BESS por uma lei tipo droop (controle primário) e, quando a frequência cai abaixo do nominal, o BESS aumenta P (descarga); quando sobe, reduz P ou absorve P (carga).
Em implementações modernas, pode haver um modo de Fast Frequency Response (FFR) que aplica um “impulso” rápido de potência em dezenas de milissegundos para reduzir o ROCOF e elevar o deficit de frequência, antes do acionamento de respostas mais lentas.
Na engenharia do conversor, essa modulação de P é convertida em referência de corrente ativa (Id*) e limitada por Imax, tensões do barramento CC e pelo estado de carga (SoC); além disso, em redes fracas, a estimativa de frequência pode ser obtida via PLL (grid-following) ou via dinâmica interna (grid-forming/VSG), o que muda o desempenho e a estabilidade.
Já a função Q–V (controle de potência reativa versus tensão): visa manter o perfil de tensão e reduzir variações em barras de interesse. O controlador mede a tensão RMS (ou a componente de sequência positiva) e ajusta a injeção/absorção de potência reativa por uma característica de droop Q–V: se a tensão cai, injeta Q (corrente reativa capacitiva); se a tensão sobe, absorve Q (corrente reativa indutiva).
Num ajuste mais fino, o POD (Power Oscillation Damping ou amortecimento de oscilações) é uma função suplementar para reduzir oscilações eletromecânicas de baixa frequência (tipicamente ~0,1 a 2 Hz) que surgem por interações entre áreas do sistema, grandes blocos geradores e linhas de transmissão.
Desta forma, o BESS vai muito além de um sistema de carga e descarga de capacidade, é um sistema robusto e refinado que aprimora as dinâmicas naturais do grid e suas contingências aliviando os ajustes oferecidos por máquinas síncronas e estabilizando, tanto quanto possível, as interferências naturais sejam causadas pela carga, sejam causadas pelas fontes de potência intermitente como Solar e Eólica.
Flavio Marqueti – Engenheiro e Diretor Executiva da EVENERGY