Orientador: Dr. Alfeu J. Sguarezi Filho / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, 2015. / Neste trabalho apresenta-se uma configuração do sistema de armazenamento de energia com baterias aplicado a sistemas de geração de energia eólica empregando conversores de fonte Z conectados à rede elétrica. Os geradores de indução gaiola de esquilo, são frequentemente utilizados nos sistemas de geração de energia eólica, por sua robustez, simplicidade, peso menor e custo baixo. Este é conectado diretamente ao conversor de potência bidirecional back to back, pode fornecer potências ativa e reativa à rede elétrica. Além disso, é estudado o conversor de fonte Z aplicado nesta topologia. No entanto, a implantação de sistemas de armazenamento de energia com baterias nos sistemas de geração de energia eólica na atualidade é muito importante, devido à possibilidade de oscilações da tensão e corrente na rede elétrica, portanto, estes podem ajudar à estabilização das tensões, correntes e a frequência na rede elétrica. Este sistema é conectado ao conversor back to back por meio de um conversor elevador-abaixador de corrente contínua. Para controlar a velocidade no eixo do rotor no gerador de indução, a estratégia é baseada no controle direto de torque. Enquanto, para o conversor do lado da rede é empregada a técnica de controle orientado pela tensão. Para o banco de baterias é utilizado o controle da tensão no barramento de corrente contínua e do fluxo na corrente da bateria, utilizando controladores do tipo PI. Com os novos desenvolvimentos tecnológicos nas chaves de potência, são apresentadas topologias de conversores CC-CA como o conversor de fonte Z, este tipo de conversor corrige algumas limitações do conversor back to back, com as características de elevador/abaixador de tensão, sem o uso de dispositivos de comutação, são permitidos os curto-circuitos na chaves, empregando novas técnicas de modulação, e reduz a quantidade harmônica injetada na rede elétrica. Os estudos foram realizados por meio de técnicas de simulação computacional usando modelos matemáticos do sistema estudado para a validação das estratégias de controle empregadas em diferentes condições de operação. Para as simulações empregou-se a ferramenta computacional SimPowerSystems R do Matlab/Simulink R . / This paper presents a battery energy storage system applied to wind power generation based on Z-source inverter connected to the power grid. The squirrel cage induction generators, often used in wind power generation systems, for its robustness, simplicity, lower weight and low cost. This is connected directly to the bidirectional power converter back to back, therefore, and provides active and reactive powers to grid. In addition, it is studied the Z-source inverter applied in this topology. However, the implementation of battery energy storage systems in wind power generation systems, currently is very important, due to possibility of the voltage and current fluctuations in the power grid, so these may to stabilisation of current, voltage and frequency on the grid. This system is connected to back to back converter through a DC-DC converter (buck-boost). For the rotor speed control on induction generator, the strategy is based on direct torque control. While, for the grid side converter is employed the technique of voltage oriented control. For the battery bank voltage control is used on DC-link voltage and battery current flow, through PI type controllers. With the new technological developments in the keys of power, DC converters topologies are presented as the Z-source inverter, this type converter fixes some limitations of the converter back to back, with the characteristics of buck-boost voltage, without the use of switching devices, allowed short-circuits on converter, using new modulation techniques, and reduces the amount injected harmonic to power grid. The studies were performed by means of computer simulation techniques using mathematical models of studied system to validate the control strategies employed in different operating conditions. For the simulations was used the computational tool SimPowerSystems R do Matlab/Simulink R .

O interesse mundial e os investimentos em fontes renováveis de energia têm aumentado consideravelmente nos últimos anos. Estas tecnologias têm a vantagem de aproveitar os recursos disponíveis localmente, reduzindo a dependência de fontes externas. Entretanto, um dos principais problemas associados a muitas das tecnologias de energias renováveis é sua imprevisibilidade ou intermitência. O armazenamento de energia é a técnica mais utilizada para moderar estas intermitências. Para aproveitamento em grande escala, os reservatórios hidrelétricos (de usinas hidrelétricas convencionais com reservatório e usinas hidrelétricas reversíveis) representam a tecnologia mais madura e amplamente aproveitada para armazenamento de energia elétrica na forma de energia potencial no volume de água. Isto faz destes uma opção importante a ser incluída no projeto de um sistema autônomo híbrido de geração de energia. Segundo diferentes autores consultados, o software HOMER (Hybrid Optimization Model for Electric Renewables) é a ferramenta mais amplamente utilizada em pesquisas relacionadas à simulação e configuração ótima deste tipo de sistemas. Esta tese apresenta um conjunto de procedimentos para determinar, em nível de pré-viabilidade, a configuração ótima (em termos do custo presente líquido) e o conjunto de arranjos viáveis de um sistema autônomo de geração de energia incluindo fontes renováveis intermitentes e reservatórios hidrelétricos. O software HOMER é aplicado na simulação e avaliação dos sistemas híbridos dos estudos de caso hipotéticos do presente trabalho, utilizados para validar os métodos propostos. Estes exemplos foram criados a partir de dados reais relacionados ao Estado de Rio Grande do Sul. Os procedimentos descritos são aplicáveis a qualquer região do mundo onde exista um local com potencial para reservatórios hidrelétricos, assim como dados de disponibilidade e custos relacionados a fontes renováveis intermitentes. Além de determinar a configuração ótima e o conjunto de arranjos viáveis, os resultados obtidos indicam que os procedimentos descritos podem ajudar na definição da melhor utilização de um local com potencial hidrelétrico. Igualmente, permitem estimar a quantidade de eletricidade excedente que poderia ser recuperada através de usinas reversíveis. Os resultados mostram que configuração ótima depende de muitos fatores, tais como restrições hidrológicas, a carga a ser atendida e o custo de geração de cada fonte. / Global interest and investments in renewable energy sources has increased considerably in recent years. These technologies have the advantage of using locally available resources, reducing dependence on external energy sources. However, most renewable energy technologies suffer from an intermittent characteristic due to the diurnal and seasonal patterns of the natural resources needed for power generation. Energy Storage is the most used technique to buffer this intermittency. For large-scale applications, hydropower reservoirs (of conventional and pumped storage plants) are the most mature and the most widely employed technology for electricity storage in the form of potential energy. For this reason, a hydropower reservoir is a suitable option to consider including in an autonomous hybrid power system. According to many authors, the HOMER model (Hybrid Optimization Model for Electric Renewables) is the most widely used tool in research studies related to simulation and optimal design of this type of systems. This thesis presents some procedures to define, as a pre-feasibility assessment, the optimal configuration (in terms of Net Present Cost) and set of feasible designs of an autonomous hybrid power system that includes intermittent renewable energy sources and hydropower reservoirs. The HOMER software is used for simulating and evaluating the hybrid power systems of the hypothetical case studies, used to validate the proposed methods. These examples were created based on real data related to the State of Rio Grande do Sul, Brazil. The procedures described can be adapted to any other region of the world where exists a site suitable for the construction of hydropower reservoirs, along with available data regarding intermittent renewable sources and generation costs. Besides defining the optimal configuration and the set of feasible designs, the results indicate that the procedures explained could help in the definition of the best use of a site with hydropower potential. Likewise, these methods can also be used to estimate how much excess electricity can be recovered by means of pumped storage hydropower. The results show that the optimal system design depends on many factors such as hydrological constraints, average load to serve and energy cost of each source.

O interesse mundial e os investimentos em fontes renováveis de energia têm aumentado consideravelmente nos últimos anos. Estas tecnologias têm a vantagem de aproveitar os recursos disponíveis localmente, reduzindo a dependência de fontes externas. Entretanto, um dos principais problemas associados a muitas das tecnologias de energias renováveis é sua imprevisibilidade ou intermitência. O armazenamento de energia é a técnica mais utilizada para moderar estas intermitências. Para aproveitamento em grande escala, os reservatórios hidrelétricos (de usinas hidrelétricas convencionais com reservatório e usinas hidrelétricas reversíveis) representam a tecnologia mais madura e amplamente aproveitada para armazenamento de energia elétrica na forma de energia potencial no volume de água. Isto faz destes uma opção importante a ser incluída no projeto de um sistema autônomo híbrido de geração de energia. Segundo diferentes autores consultados, o software HOMER (Hybrid Optimization Model for Electric Renewables) é a ferramenta mais amplamente utilizada em pesquisas relacionadas à simulação e configuração ótima deste tipo de sistemas. Esta tese apresenta um conjunto de procedimentos para determinar, em nível de pré-viabilidade, a configuração ótima (em termos do custo presente líquido) e o conjunto de arranjos viáveis de um sistema autônomo de geração de energia incluindo fontes renováveis intermitentes e reservatórios hidrelétricos. O software HOMER é aplicado na simulação e avaliação dos sistemas híbridos dos estudos de caso hipotéticos do presente trabalho, utilizados para validar os métodos propostos. Estes exemplos foram criados a partir de dados reais relacionados ao Estado de Rio Grande do Sul. Os procedimentos descritos são aplicáveis a qualquer região do mundo onde exista um local com potencial para reservatórios hidrelétricos, assim como dados de disponibilidade e custos relacionados a fontes renováveis intermitentes. Além de determinar a configuração ótima e o conjunto de arranjos viáveis, os resultados obtidos indicam que os procedimentos descritos podem ajudar na definição da melhor utilização de um local com potencial hidrelétrico. Igualmente, permitem estimar a quantidade de eletricidade excedente que poderia ser recuperada através de usinas reversíveis. Os resultados mostram que configuração ótima depende de muitos fatores, tais como restrições hidrológicas, a carga a ser atendida e o custo de geração de cada fonte. / Global interest and investments in renewable energy sources has increased considerably in recent years. These technologies have the advantage of using locally available resources, reducing dependence on external energy sources. However, most renewable energy technologies suffer from an intermittent characteristic due to the diurnal and seasonal patterns of the natural resources needed for power generation. Energy Storage is the most used technique to buffer this intermittency. For large-scale applications, hydropower reservoirs (of conventional and pumped storage plants) are the most mature and the most widely employed technology for electricity storage in the form of potential energy. For this reason, a hydropower reservoir is a suitable option to consider including in an autonomous hybrid power system. According to many authors, the HOMER model (Hybrid Optimization Model for Electric Renewables) is the most widely used tool in research studies related to simulation and optimal design of this type of systems. This thesis presents some procedures to define, as a pre-feasibility assessment, the optimal configuration (in terms of Net Present Cost) and set of feasible designs of an autonomous hybrid power system that includes intermittent renewable energy sources and hydropower reservoirs. The HOMER software is used for simulating and evaluating the hybrid power systems of the hypothetical case studies, used to validate the proposed methods. These examples were created based on real data related to the State of Rio Grande do Sul, Brazil. The procedures described can be adapted to any other region of the world where exists a site suitable for the construction of hydropower reservoirs, along with available data regarding intermittent renewable sources and generation costs. Besides defining the optimal configuration and the set of feasible designs, the results indicate that the procedures explained could help in the definition of the best use of a site with hydropower potential. Likewise, these methods can also be used to estimate how much excess electricity can be recovered by means of pumped storage hydropower. The results show that the optimal system design depends on many factors such as hydrological constraints, average load to serve and energy cost of each source.

Submitted by Geandra Rodrigues (geandrar@gmail.com) on 2018-03-27T13:46:07Z No. of bitstreams: 1 jonathanhunderdutragherardpinto.pdf: 6016290 bytes, checksum: 50eab93d008d20c4a60c851574b2c6f3 (MD5) / Approved for entry into archive by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br) on 2018-03-27T13:57:34Z (GMT) No. of bitstreams: 1 jonathanhunderdutragherardpinto.pdf: 6016290 bytes, checksum: 50eab93d008d20c4a60c851574b2c6f3 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-03-27T13:57:34Z (GMT). No. of bitstreams: 1 jonathanhunderdutragherardpinto.pdf: 6016290 bytes, checksum: 50eab93d008d20c4a60c851574b2c6f3 (MD5) Previous issue date: 2018-02-19 / Este trabalho tem como contribuição o desenvolvimento de uma estratégia de equa-lização das tensões em um conversor multinível modular, como parte integrante de um sistema híbrido de armazenamento de energia. O conversor modular multinível realiza a conexão em série de módulos supercapacitores, o que possibilita aumentar a ten-são sem prejudicar a transferência rápida de energia. Em relação à outras topologias, este trabalho permite reduzir a quantidade, volume e massa do elemento magnético da estrutura do conversor. Um banco de baterias de íons de lítio também integra o sistema por intermédio de um conversor estático. Como é a fonte de maior densidade de energia, fornece a potência média requerida pelo carga. A associação com uma fonte de transferência rápida de energia permite aumentar o desempenho dinâmico, a eficiência energética e a vida útil da bateria. Com efeito, tem-se um sistema híbrido de armazenamento de energia que requer estratégias de gestão para múltiplas fontes de suprimento. Os resultados simulados considerando a estimativa da demanda de po-tência de um protótipo de veículo elétrico, são adequados e propiciam os fundamentos necessários para a construção de um protótipo. / This work is a contribution to develop a strategy equalization of tensions in a mo-dular multilevel converter as part of a hybrid system energy storage. The multilevel modular converter realizes the series connection of supercapacitor modules, which al-lows to increase the voltage without cause damages to the quick energy transfer. In relation to other topologies, it allows reduction of the quantity, volume and mass of the magnetic element of the converter structure. A lithium-ion battery bank also integrates the system via a voltage boost converter. This battery is the source of high energy density, which provides the average power required by the load. The association with a fast transfer power source allows for increased dynamic performance, energy efficiency and service life. In fact, there is a hybrid energy storage system that requires mana-gement strategies for multiple sources of supply. The simulated results were obtained considering the power demand estimation of an electric vehicle prototype.

[pt] O presente trabalho consiste na integração de um campo solar em uma usina de gaseificação de resíduos sólidos urbanos no município de Boa Esperança em Minas Gerais. Os resíduos sólidos acumulados no lixão da cidade são utilizados como insumos para a geração de gás de síntese no reator químico da unidade. Esta operação recupera a extensa área degradada deste vertedouro permitindo a instalação do campo solar com coletores de calhas parabólicas. O intuito do projeto é o fornecimento contínuo de calor pelo campo solar através da instalação de tanques de armazenamento direto de calor. A operação do campo solar é simulada pela elaboração de uma rotina computacional no software Matlab através do método das diferenças finitas unidimensional. A solução numérica do sistema de equações diferenciais que compõe o balanço de energia do receptor solar é validada pela comparação com o teste experimental do Laboratório Nacional de Sandia do concentrador solar SEGS LS-2 com tubo absorvedor evacuado. Além disso, o controle da vazão mássica circulante pelo campo solar é incorporado na lógica computacional de modo que a temperatura na saída do campo solar seja mantida com valores próximo ao set-point de 390 graus Celsius. Portanto, as simulações computacionais com proposições sobre a partida e operação do campo solar são testadas para dias ensolarados do ano meteorológico típico de Boa Esperança. Finalmente, um dia real com nebulosidade é simulado para a análise do funcionamento do campo solar de acordo com a variação intermitente da irradiância direta normal. Os resultados da operação do dia real são utilizados como base para a aplicação da presente rotina computacional em futuros projetos do campo solar. / [en] This work intends to hybridize a solar field into the current waste to energy gasification power plant in Boa Esperança in Minas Gerais. The gasification process converts municipal solid waste to usable synthesis gas for electrical production. This current operation of waste to energy power plant removes waste accumulated from the landfill site. It recovers an extensive area for future solar field installation due to this available space without any waste in the future. The design of the planned solar field comprises the parabolic trough concentrating systems. The aim of the solar design is to provide ongoing heat to the power block with direct storage tanks. The solar field operation is simulated by the development of a Matlab computer program based one dimensional implicit difference method with energy balance approach of an evacuated receiver. The validation of present model was done by comparing the outlet temperatures of simulation results and the experimental data obtained by Sandia National Laboratories. Moreover, the mass flow rate is regulated through the field to make sure that the outlet temperature from the solar collector is kept as close to the desired 390 Celsius Degree as possible. To accomplish the main purpose of the work, many different computational models with start-up and full operation stages are suggested for different clear days along the typical meteorological year of the city Boa Esperança. Eventually, a cloud day with a real meteorological data was chosen for a computational model of the solar field performance. All results of the real day operation are used to improve the computer program of the present work. These results are useful for future solar field design.

[pt] A recente expansão das fontes renováveis para geração de energia elétrica decorre do encarecimento dos combustíveis fósseis e da preocupação com impactos ambientais e mudanças climáticas, assim como de avanços tecnológicos e da queda de seus custos de implantação. Entretanto, a natureza intermitente e sazonal dos recursos naturais, como vento e irradiação solar, pode afetar a operação do sistema elétrico. Uma alternativa para dar equilíbrio à carga do sistema, proporcionando ainda outros benefícios, é o armazenamento de energia. Uma tecnologia de larga escala para armazenamento é a de bombeamento hidráulico por meio de usinas hidrelétricas reversíveis (UHR), que oferecem mais eficiência, tempo de resposta mais rápido e vida útil mais longa que outras alternativas. Tendo em vista as lacunas teóricas no campo acadêmico, a dissertação propõe um modelo para identificação de locais potenciais para implantação dessas usinas, com o auxílio de ferramentas de sistema de informação geográfica e de formulações matemáticas que consideram critérios fisiográficos, energéticos, econômicos e socioambientais. Partindo de uma abordagem baseada no conceito de geomorphons combinada com soluções de um problema de otimização, o modelo proposto tem por objetivo definir uma formulação que busque minimizar os custos de construção de uma UHR. A demonstração da aplicabilidade do modelo é feita em torno do reservatório da UHE Sobradinho, e os resultados são discutidos a partir da comparação dos locais selecionados e dos custos obtidos. Pode-se concluir que é possível identificar potenciais locais para implantação de UHR a partir desse modelo, o que pode beneficiar agentes de planejamento do setor elétrico, bem como empresas que estejam interessadas em investir nesta tecnologia. / [en] The expansion of the use of renewable sources for electricity generation in recent years is a result of the increase of fossil fuels costs and the growing concern with climate change and the impacts on the environment, as well as technological advances and the reduction in their implementation costs. However, the availability of some natural resources for renewable energy matrices, such as wind and solar irradiation, has an intermittent and seasonal nature, which may affect the electrical system operation (CANALES et al., 2015; KELMAN & HARRISON, 2019). One of the alternatives to balance the system load is energy storage, which offers benefits to the electricity provision (ancillary services, for example) and regulates the frequency in times of high demand with low energy supply from renewables, contributing with the necessary inertia so that demand does not change instantly (BARBOUR et al., 2016). The most widely large-scale technology used for storage in the world is hydraulic pumping through pumped storage hydropower – PSH (GUITTET et al., 2016; IHA, 2018). Compared to other technologies, it provides a solution with high efficiency, faster response time and longer useful life (REHMAN et al., 2015). The operation of the plants is characterized by the pumping of water from a lower reservoir for its accumulation in an upper reservoir for energy generation in periods of high demand (BARBOUR et al., 2016). Energy storage alternatives are already on the agenda in the Brazilian energy sector as an option to ensure the system development in an economic and sustainable manner. In the 2030 Ten-Year Energy Expansion Plan (EPE, 2021b), PSH is highlighted as one of the resources to expand the offer for rush hour demand response. EPE understands that preliminary studies are an important step to support the sector s planning and guide the definition of regulatory aspects, which do not yet exist, related to the systemic benefits of this type of solution.

[pt] A inserção de sistemas de armazenamento de energia é uma tendência global observada no cenário de diversificação energética de vários países no mundo. Considerando a predominância da geração hídrica centralizada na matriz elétrica brasileira, as Usinas Hidrelétricas Reversíveis possuem uma tendência à utilização dentro do Sistema Interligado Nacional (SIN). Entretanto, tal processo de inserção deve considerar as possíveis alterações no marco regulatório advindas de novas políticas regulatórias para o setor elétrico brasileiro. A seleção destas políticas deve considerar diversos critérios e várias dimensões. Além disso, a política escolhida deve considerar uma Análise de Impacto Regulatório para sua efetividade. O objetivo principal desta dissertação é propor um modelo de seleção e avaliação dessas políticas, utilizando um processo de análise de impacto regulatório (AIR), com o auxílio de métodos multicritério de apoio à decisão (MCDM). O modelo definido foi proposto em seis etapas: definição do problema regulatório; determinação do framework regulatório; mapeamento das alternativas de ação; análise benefício-custo conduzida com o método AHP; seleção da política preferida com o método fuzzy-TOPSIS e monitoramento e avaliação desta política. A modelagem foi aplicada para as seguintes cinco políticas definidas: criação de um mercado de capacidade; criação de um mercado de flexibilidade; implementação de um leilão multiatributos; implementação de um leilão de capacidade; e adoção de uma política de incentivos. Os resultados foram comparados com algumas referências, confirmando a aplicabilidade da metodologia e indicando que o desenvolvimento do modelo proposto preencheu lacunas na literatura referente às aplicações de abordagem multicritério para políticas energéticas. / [en] The insertion of the energy storage systems is a global trend observed in the energy diversification scenario of several countries in the world. Considering the predominance of centralized hydroelectric generation in the brazilian electric matrix, Pumped Storage Hydroelectric Plans tend to be used within the National Interconnected System (SIN). However, such insertion process must consider the new changes in the regulatory framework arising from Brazilian regulatory policies for the sector. The selection of these policies must consider several and several dimensions. In addition, the chosen policy must consider a Regulatory Impact Analysis for its own. The main objective of this dissertation is to propose a model for the selection and evaluation of these policies, using a Regulatory Impact Analysis (RIA) process, with the aid of multicriteria decision making methods (MCDM). The defined model was proposed in six stages: definition of the regulatory problem; determination of the regulatory framework; mapping of action alternatives; benefit-cost analysis with the AHP method; selection of preferred policy with the fuzzyTOPSIS method and monitoring and evaluation of this policy. The modeling was applied to the following five policies: creating a capacity market; creation of a flexibility market; implementation of a multi-attribute auction; implementation of a capacity auction; and adoption of an incentive policy. The policies were compared with some references, confirming the applicability of the methodology and indicating the development of the proposed model, gaps in the literature regarding the applications of multicriteria for energy.

[pt] A perspectiva de queda nos preços dos sistemas fotovoltaicos e sistemas de armazenamento de energia elétrica em baterias trouxe a possibilidade de maior viabilidade econômica de projetos envolvendo recursos energéticos distribuídos. No Brasil, a Resolução Normativa 482/2012 regulamentou a micro e mini geração distribuída, estimulando, portanto, a integração desses recursos nas redes de distribuição. Com a promulgação da Lei brasileira 14.300/2022, os projetos de micro e mini geração distribuída foram impactados, uma vez que o sistema de compensação de energia elétrica passou a ser parcial, o que demanda agregar valor aos modelos de negócios baseados em geração distribuída. Este trabalho propõe um modelo de Programação Linear Inteira Mista estocástico com o objetivo de avaliar a viabilidade econômica de usinas virtuais compostas por diferentes configurações de recursos energéticos distribuídos, envolvendo baterias e painéis fotovoltaicos. Para atingir esse propósito, o modelo busca dimensionar o contrato de energia anual ótimo, fornecendo também a operação diária das baterias. Além de levar em consideração os aspectos da Lei 14.300/2022, o modelo incorpora a prática de arbitragem tarifária. Colaborando, assim, com estudos que analisam os impactos regulatórios sobre empreendimentos envolvendo baterias e painéis fotovoltaicos no contexto brasileiro. Com o intuito de abordar o tema de maneira ampla, o modelo proposto foi implementado para recursos energéticos distribuídos organizados como usina virtual, contendo: (i) um sistema fotovoltaico; (ii) um sistema de armazenamento de energia em baterias; (iii) um sistema híbrido (composto por um sistema fotovoltaico e um sistema de armazenamento de energia em baterias); e (iv) o estudo de caso da distribuidora de energia elétrica brasileira Energisa Tocantins. Em todas as aplicações, analisou-se a viabilidade econômica da usina virtual para as tarifas da Energisa Tocantins e outras 34 distribuidoras brasileiras, representando pelo menos uma distribuidora por estado brasileiro. Além disso, foram feitas comparações em relação à data de início de operação da usina virtual, evidenciando o impacto da Lei 14.300/2022 na viabilidade econômica das usinas virtuais analisadas, mostrando, assim, o impacto da referida lei nos projetos de geração distribuída no Brasil. No estudo de caso da distribuidora de energia elétrica brasileira Energisa Tocantins, foi realizada uma análise adicional contemplando aspectos da rede de distribuição da própria Energisa Tocantins, onde os recursos energéticos distribuídos estão alocados. Nessa análise adicional, foram avaliadas as perdas elétricas e seus custos, bem como o perfil de tensão para dois casos de operação das baterias e para o caso base, que seria o caso sem recursos energéticos distribuídos na rede de distribuição Energisa Tocantins. Os resultados evidenciaram que a implementação da Lei 14.300/2022 reduziu a atratividade de projetos envolvendo geração distribuída. No entanto, em sua maioria, considerando os parâmetros adotados deste estudo, esses projetos ainda se mostram viáveis economicamente. Levando em consideração as perdas elétricas e o perfil de tensão, a integração de recursos energéticos distribuídos na rede de distribuição pode trazer benefícios elétricos e redução de custos, dependendo da operação dos recursos energéticos distribuídos, demonstrando sua capacidade de fornecer serviços ancilares ao sistema elétrico. Além disso, os sistemas fotovoltaicos ainda apresentam maior competitividade se comparados com os sistemas híbridos ou os sistemas de armazenamento de energia em baterias, proporcionando retornos financeiros mais atrativos. Por fim, as diferentes amplitudes tarifárias influenciam diretamente na viabilidade de projetos de geração distribuída envolvendo sistemas de armazenamento de energia, já que quanto maior a amplitude tarifária, maior será a arbitragem tarifária que tais sistemas podem proporcionar. / [en] The prospect of declining prices in photovoltaic systems and battery energy storage systems has brought about the possibility of greater economic viability for projects involving distributed energy resources. In Brazil, Regulatory Resolution 482/2012 regulated micro and mini distributed generation, thereby encouraging the integration of these resources into distribution networks. With the enactment of Brazilian Law 14.300/2022, projects involving micro and mini distributed generation were impacted, as the net metering system for electricity became partial, demanding the addition of value to distributed generation-based business models. This work proposes a stochastic Mixed Integer Linear Programming model aimed at evaluating the economic feasibility of virtual power plants composed of different configurations of distributed energy resources, involving batteries and photovoltaic panels. To achieve this purpose, the model seeks to size the optimal annual energy contract, also providing the daily operation of the batteries. In addition to considering the aspects of Law 14.300/2022, the model incorporates tariff arbitrage practice, thus contributing to studies analyzing regulatory impacts on ventures involving batteries and photovoltaic panels in the Brazilian context. In order to comprehensively address the topic, the proposed model was implemented for distributed energy resources organized as virtual power plant, containing: (i) a photovoltaic system; (ii) a battery energy storage system; (iii) a hybrid system (composed of a photovoltaic system and a battery energy storage system); and (iv) the case study of the Brazilian electric utility Energisa Tocantins. In all applications, the economic viability of the virtual power plant was analyzed for the tariffs of Energisa Tocantins and 34 other Brazilian distributors, representing at least one distributor per Brazilian state. Additionally, comparisons were made regarding the start date of operation of the virtual power plant, highlighting the impact of Law 14.300/2022 on the economic viability of the analyzed virtual power plants, thus demonstrating the impact of said law on distributed generation projects in Brazil. In the case study of the Brazilian electric utility Energisa Tocantins, an additional analysis was conducted considering aspects of Energisa Tocantins distribution network, where distributed energy resources are allocated. In this additional analysis, electrical losses and their costs, as well as voltage profiles for two battery operation scenarios and the base case (i.e., the case without distributed energy resources in the Energisa Tocantins distribution network) were evaluated. The results showed that the implementation of Law 14.300/2022 reduced the attractiveness of projects involving distributed generation. However, for the most part, considering the parameters adopted in this study, these projects still demonstrate economic viability. Taking into account electrical losses and voltage profiles, the integration of distributed energy resources into the distribution network can bring electrical benefits and cost reductions, depending on the operation of the distributed energy resources, demonstrating their ability to provide ancillary services to the electrical system. Furthermore, photovoltaic systems still exhibit greater competitiveness when compared to hybrid systems or battery energy storage systems, providing more attractive financial returns. Finally, different tariff amplitudes directly influence the viability of distributed generation projects involving energy storage systems, as the greater the tariff amplitude, the greater the tariff arbitrage that such systems can provide.

[pt] No Brasil, existem muitos projetos em sistemas fotovoltaicos, e a projeção para os próximos anos é de crescimento devido incentivos governamentais e os elevados preços das tarifas de energia. Associado a isso, o mercado de armazenamento de energia com baterias de íons de lítio tem se mostrado promissor devido a uma considerável queda nos preços dessas baterias nos últimos anos. Isso pode representar uma oportunidade para o mercado de sistemas fotovoltaicos quando os incentivos acabarem. Este trabalho propõe um modelo PLIM (Programação Linear Inteira Mista) estocástico para dimensionar um sistema fotovoltaico integrado com armazenamento de energia em baterias para grandes consumidores de energia, usando cenários de geração e consumo, podendo considerar diferentes modalidades tarifárias. As variáveis de decisão são o número de painéis, inversores, baterias, a operação diária do sistema de armazenamento e a demanda contratada do consumidor. A função objetivo busca minimizar o custo de investimento no sistema fotovoltaico, baterias e fatura de energia. A abordagem proposta será analisada sob diferentes premissas, uma com incentivos governamentais sobre a anergia injetada na rede e outra na qual a injeção de energia na rede não é permitida, a fim de avaliar a importância das baterias para manter a atratividade econômica do sistema fotovoltaico. Os resultados indicaram que o efeito sinérgico do sistema fotovoltaico com baterias potencializa a arbitragem, que está relacionada com a diferença entre as tarifas de energia de ponta e fora ponta. Isso ocorre principalmente com operação zero exportação porque somente assim o consumidor é livre para escolher a capacidade do seu sistema fotovoltaico, que hoje é limitado no Brasil quando o sistema é conectado na rede de distribuição. / [en] In Brazil, there are many projects in photovoltaic systems, and the projection for the coming years is positive due to the government incentives and the expensive energy tariffs. Associated with this, the Lithium-ion battery storage systems market has been promising due to a significant drop in battery prices in the last few years. This may represent an opportunity for the photovoltaic system market when the incentives run-out. This work proposes a stochastic mixed integer linear programming (MILP) model to design a photovoltaic system integrated with battery energy storage for big electricity consumers, using generation and consumption scenarios, being able to consider different Time-of-Use tariffs. The decision variables are the number of panels, inverters and batteries, its daily operation and the power demand contracted. The objective function aims to minimize the cost of investment, in the photovoltaic system, batteries and electricity bill. The proposed approach will be analyzed under different assumptions, one with the government incentive about injected surplus and another in which the injection into the network is not possible, in order to assess the importance of a storage system to keep the economic attraction of the photovoltaic system. Results indicated that the synergic effect of the photovoltaic system and battery potentialize the arbitrage, which is related to the difference between peak and off-peak energy tariff. This occurs, mainly with Zero Export operation because only this way the consumer is free to choose the capacity of the photovoltaic system, which is limited in Brazil when the system is allowed to inject energy into the network.