Resumo: O uso de aparelhos de ar condicionado (AC) para refrigeração de ambientes vem crescendo ao redor do mundo e colocando sistemas de geração, transmissão e distribuição de energia sob pressão, tanto do ponto de vista energético, quanto do ponto de vista elétrico, fato que se agrava durante períodos de ponta ou em dias com temperaturas elevadas. Para evitar a necessidade de construir novas plantas de energia elétrica ou de realizar reforços na rede, é fundamental que se busquem formas de melhorar a eficiência e o uso desses aparelhos, sem prejudicar o conforto dos usuários finais. Uma das formas de se atingir tal objetivo é através de um controle mais inteligente e sofisticado deste tipo de carga. Este trabalho apresenta um modelo de programação não-linear inteiro misto (PNLIM) para o controle direto de aparelhos de AC de frequência variável com o objetivo de minimizar o gasto com o consumo de energia em uma rede de distribuição de energia elétrica. Técnicas de linearização são aplicadas sobre o PNLIM original a fim de se obter o modelo de programação linear inteiro misto (PLIM) do problema. O uso de um modelo de PLIM garante a convergência para a solução ótima usando ferramentas de otimização clássica existentes. No modelo proposto, as expressões usadas para representar a operação em regime permanente da rede de distribuição, baseado em injeção de corrente, levam em conta a representação trifásica dos circuitos e o desequilíbrio entre as cargas, acarretando uma modelagem mais próxima da realidade. Adicionalmente, a formulação proposta considera a presença de outros dispositivos na rede como baterias residenciais e painéis fotovoltaicos distribuídos, restrições de conforto térmico dos consumidores finais e limites operacionais da rede (magnitude de tensão e corrente). Os ambientes termicamente controlados são acoplados ao modelo elétrico da rede de distribuição através de um modelo térmico equivalente (MTE) de segunda ordem. Tanto o modelo dos aparelhos de AC, quanto os modelos das baterias residenciais e dos sistemas fotovoltaicos são baseados em dispositivos reais disponíveis comercialmente. O modelo proposto foi escrito na linguagem de modelagem matemática "AMPL" e resolvido com o solver comercial "CPLEX". Outras funções objetivo como por exemplo, a minimização da demanda e do desconforto térmico dos usuários finais também são estudadas. O controle ótimo de aparelhos de AC, baterias residenciais e sistemas fotovoltaicos em uma microrrede ou uma rede isolada de energia também é investigado. Por fim, o modelo proposto é comparado com um modelo de aparelhos de AC de frequência variável não linear encontrado na literatura e com um modelo de aparelhos de AC de frequência constante. Os resultados obtidos demonstram que o modelo é capaz de encontrar a solução ótima para cada um dos casos estudados em tempo computacional adequado e pode ser usado em estudos de sistemas ativos de distribuição de energia elétrica ou ser embarcado em sistemas de gerenciamento de energia residenciais, gerando benefícios tanto para os consumidores finais quanto para operadores de redes de distribuição Ver menos

Abstract: The use of air conditioners (AC) for cooling has been growing around the world and putting generation, transmission and distribution systems under pressure, both in terms of energy and power, especially during periods of peak demand and hot days. To avoid the construction of new power plants and to postpone reinforcements in the network it is crucial to find ways to improve the efficiency of these devices, without compromising the thermal comfort of end users. One way to accomplish this goal is through a smarter and more sophisticated control of this type of load. This work presents a mixed-integer nonlinear programming model (MINLP) for the direct control of variable frequency AC with the objective of minimizing the customer spending on electricity in an electric power distribution network. Linearization techniques are applied on the original MINLP in order to obtain the mixed integer linear programming (MILP) model of the problem. The use of a MILP model ensures convergence to the optimal solution using existing classical optimization tools. In the proposed model, the expressions used to represent the steady-state operation of the distribution network, based on current injection, consider the three-phase representation of the circuits and the imbalance of the loads, leading to a more realistic model. Additionally, the proposed formulation contemplates the presence of other devices such as residential batteries and distributed photovoltaic systems, end-user thermal comfort constraints and network operating limits (voltage and current magnitude). The thermally controlled environments are coupled to the electrical model of the distribution network through a second order equivalent thermal model (ETP). The model of the AC, the residential batteries and photovoltaic panels are all based on commercially available devices. The proposed model was written in the mathematical modeling language "AMPL" and resolved with the commercial solver "CPLEX". Other objective functions such as minimizing the electrical power demand and the thermal discomfort of end users are also studied. Optimal control of AC, home batteries and photovoltaic systems in a micro network or in an isolated power grid is also investigated. Finally, the proposed model is compared with a nonlinear variable frequency AC model found in the literature and with a constant frequency AC model. The results show that the model can find the optimal solution for each case in suitable computational time and could be used in studies of active power distribution networks or be embedded in residential power management systems, generating benefits to both end customers and distribution system operators Ver menos