A Ilha de Samish, em Washington, estende-se entre a Baía de Padilla e a Baía de Samish, no Estreito de Puget. Uma única linha de distribuição, mantida pela Puget Sound Energy, conecta esta remota comunidade litorânea à rede elétrica principal.
Em 2017, Bob Pavia, proprietário de uma casa na Ilha de Samish, enviou um e-mail para a PSE depois de encontrar um contato no site da empresa. Ele propôs a ideia de instalar um microgrid solar para fornecer energia de reserva ao quartel de bombeiros da ilha. “As pessoas [na Ilha de Samish] já estavam adotando os painéis solares”, explicou ele. “Perguntei como poderíamos ajudar a PSE e o quartel de bombeiros a permanecerem em operação usando esses painéis solares.”Pavia já havia discutido o conceito com o comandante do corpo de bombeiros, Michael Collins, que apoiou a ideia. Morador da região desde 1981, Collins já havia vivenciado muitos cortes de energia e, como chefe do corpo de bombeiros voluntários, entendia a necessidade de uma fonte de energia de reserva que fosse confiável. A PSE respondeu positivamente.“Eles se mostraram abertos à ideia”, disse Pavia. “Uma das primeiras perguntas que fizeram foi se a comunidade da Ilha de Samish apoiaria a ideia.” Sem hesitar, Pavia disse que sim.Joe Do, engenheiro principal da PSE e líder técnico do projeto na Ilha de Samish, explicou: "Estávamos procurando uma comunidade para demonstrar o uso da energia limpa e, ao mesmo tempo, aumentar a resiliência do nosso sistema.” Um microgrid com controles avançados e geração fotovoltaica (FV) atenderia às necessidades tanto da comunidade quanto da concessionária de energia.Joe Do abordou o projeto da Ilha de Samish como uma prova de conceito para futuros microgrids da PSE, um modelo expansível para orientar iniciativas semelhantes. A concessionária já havia priorizado a integração de recursos energéticos distribuídos e microgrids como parte de sua estratégia de modernização da rede, alinhada à Lei de Transformação de Energia Limpa do Estado de Washington (Clean Energy Transformation Act – CETA).
“Assim que decidimos adotar um controlador de microgrid expansível, a próxima pergunta foi: já que não temos todas as habilidades para implementá-lo sozinhos, a quem devemos recorrer?” Do disse. “Naturalmente, a SEL foi escolhida por seus serviços de engenharia, bem como por sua plataforma de controle.” A PSE trabalhava com a SEL há anos, integrando produtos e soluções em toda sua rede. O microgrid da Ilha de Samish exigia automação e uma plataforma segura e confiável, e a PSE tinha certeza de que a colaboração com a SEL proporcionaria uma solução adaptada às necessidades da ilha.
Mantendo a infraestrutura crítica em operação
A PSE e a SEL começaram a trabalhar em uma solução sob medida. O projeto de microgrid da Ilha de Samish incluiu sistemas fotovoltaicos nos telhados de três residências, incluindo a de Pavia, além de um conjunto de painéis solares de 8 kW instalado no solo, atrás do quartel de bombeiros.Durante a fase de desenvolvimento, Gabe Berbig, um engenheiro de automação de Sistemas de Proteção Especial dos Serviços de Engenharia (ES) da SEL, juntou-se ao projeto. Ele determinou que a solução ideal para coordenar o microgrid, a bateria e o sistema fotovoltaico com a rede principal incluía um Sistema de Gerenciamento e Controle de Energia SEL powerMAX, construído em torno de um Controlador de Automação em Tempo Real (RTAC) SEL-3555.O SEL powerMAX é uma plataforma de gerenciamento de microgrid composta por relés de proteção, controladores, software, recursos de segurança cibernética e processamento lógico. A plataforma de automação RTAC funciona como o cérebro da solução, fornecendo o processamento lógico para coordenar todos os elementos do sistema e monitorando continuamente a conexão à rede, a carga do sistema e o estado da bateria.
“Optamos por usar a solução SEL RTAC como controlador do microgrid porque ela é compatível com diversas linguagens de comunicação e é um dispositivo OT seguro, que se integra bem aos nossos requisitos de segurança.”
Para programar o RTAC, Berbig estudou o sistema de armazenamento em baterias KORE Power de 50k W/332 kWh, o qual a PSE selecionou para o projeto. O sistema de armazenamento em baterias inclui um inversor e várias baterias de lítio. “Os inversores funcionam de maneira diferente dos geradores e existem muitas maneiras de aproveitar essa flexibilidade”, disse ele.A solução SEL powerMAX também oferece flexibilidade para diferentes casos de uso. Em condições normais de funcionamento, a rede principal da PSE fornece eletricidade aos moradores da Ilha de Samish. Qualquer excesso de energia fotovoltaica gerada pelas três residências e pelo quartel de bombeiros conectados ao microgrid alimenta a bateria para manter a carga e fornecer energia de reserva durante uma emergência. O powerMAX também permite que o sistema transmita a geração fotovoltaica de volta para a rede principal, para complementar o fornecimento de energia durante os horários de pico de consumo.Quando ocorre uma falha na linha principal, um Controle de Religador Avançado SEL-651R aciona o religador PSE no ponto de acoplamento comum (PCC). O powerMAX faz a transição das residências e do quartel de bombeiros para o modo ilhado sem interrupções, permitindo que o microgrid opere de forma independente e mantenha o equilíbrio das cargas em tempo real, em menos de um ciclo. O powerMAX também garante a estabilidade, monitorando continuamente o sistema tanto no lado do microgrid quanto no lado da concessionária de energia.
As equipes da PSE e da SEL projetaram uma solução personalizada que inclui várias baterias da KORE Power para armazenamento de energia, um relógio de rede sincronizado por satélite SEL-2488 para temporização precisa, um gateway de segurança Ethernet SEL-3620 e vários RTACs. Um controlador de religador SEL-651R comunica-se com um religador e com o sistema de controle da microgrid para isolar e ressincronizar com a rede.
Durante os cortes de energia, o microgrid fornece energia para as três residências e o quartel de bombeiros usando a energia armazenada no sistema de baterias, enquanto o sistema fotovoltaico continua a fornecer o excesso de energia para o microgrid, ajudando a manter a carga das baterias. O sistema envia alertas por e-mail e SMS para as residências e para o corpo de bombeiros, com atualizações sobre o status do sistema e os níveis da bateria.“Enquanto o corte de energia persistir, alertas continuarão sendo enviados para atualizar os moradores sobre o status da bateria, para que eles possam optar por prolongar proativamente a autonomia da bateria através da redução do consumo”, disse Barr. Assim que a PSE restabelece a energia, o sistema de controle do microgrid ressincroniza automaticamente e sem interrupções as residências e o quartel de bombeiros com a rede principal. Utilizando relés da SEL e o RTAC, o powerMAX ajusta a tensão, a frequência e o ângulo de fase para evitar danos no equipamento e garantir uma reconexão segura. O powerMAX inicia o fechamento do disjuntor no PCC, o que restabelece com segurança a conexão à rede sem interromper o fornecimento de energia para as residências ou o quartel de bombeiros.
Os testes em laboratório e no local oferecem amplas vantagens
Antes de instalar o sistema na Ilha de Samish, Berbig e outros membros da equipe ES da SEL realizaram rigorosos testes de hardware-in-the-loop e simulações usando um simulador universal de fluxo de potência (UPF) baseado em um RTAC. A biblioteca UPF forneceu ferramentas de programação para modelar o sistema de armazenamento em baterias da Ilha de Samish e sua função no monitoramento da tensão, da frequência, do religador e das cargas em condições reais. Os testes foram bem-sucedidos.Uma vez no local, a PSE e a SEL realizaram testes adicionais, incluindo transições entre o modo conectado à rede e o modo ilhado. Para evitar interrupções no fornecimento de energia à comunidade durante os testes iniciais, a PSE redirecionou temporariamente as residências e o quartel de bombeiros para uma linha alternativa, usando religadores, e também simulou o consumo com um banco de carga para replicar a demanda do microgrid durante um corte de energia. “Testamos o sistema sob condições extremas”, disse Berbig. “Ligamos e desligamos o sistema e executamos todas as sequências dos controles do microgrid para verificar se o sistema conseguiria se recuperar em vários cenários diferentes.” Graças ao forte apoio da comunidade, a PSE também conseguiu realizar um teste de black start (partida após apagão) depois de conectar as três residências e o quartel de bombeiros ao microgrid. Isso exigiu uma desconexão completa da rede principal, ou seja, a interrupção total do fornecimento de energia, para confirmar que o microgrid poderia restabelecer o fornecimento aos usuários com segurança e eficácia usando apenas o sistema de armazenamento em baterias.
“Fiquei muito impressionado com a quantidade de detalhes e aspectos de segurança que a PSE considerou para garantir que tudo funcionasse com segurança e eficiência”, disse o comandante Collins. “Já vi outros projetos em ambientes industriais, e por isso sei que desafios podem surgir. Mesmo assim, a equipe da PSE estava lá fora, fizesse chuva ou fizesse sol, às vezes em tendas, tentando resolver os pequenos erros de programação que apareciam. Foi excepcional.”
A colaboração demonstra a importância da comunidade
Durante a primeira temporada de tempestades após a implementação, o sistema de controle de microgrid SEL powerMAX isolou o microgrid da rede principal e manteve a tensão e a frequência estáveis durante cinco eventos de operação em modo ilhado, enquanto fornecia energia ao quartel de bombeiros e às três residências conectadas. O projeto de microgrid da Ilha de Samish fortaleceu a relação de colaboração entre a PSE, a SEL e a comunidade local, demonstrando como projetos de pequena escala oferecem oportunidades únicas que projetos maiores talvez não ofereçam. Por exemplo, as empresas de serviços públicos raramente realizam testes de black start devido ao transtorno que isso causa aos clientes. Dada a confiança que depositavam na PSE e na SEL, o comandante Collins, Pavia e os outros dois proprietários concordaram não apenas com um, mas com três testes de black start.“Muitas pessoas estiveram envolvidas neste projeto ao longo de seu desenvolvimento”, enfatizou Do. “Muita gente trabalhava nos bastidores.”Colaborações que fomentem a partilha de conhecimentos e o crescimento são essenciais à medida que os recursos baseados em inversores e a integração de fontes de energia renovável se tornam mais comuns. Barr costuma se referir ao microgrid da Ilha de Samish como um laboratório prático, um ambiente para aprofundar a compreensão dos recursos de microgrid e aplicar esse conhecimento a projetos futuros.
“Existe a oportunidade de identificar e quantificar todas as diferentes informações provenientes de Samish. É um mini centro de geração de dados.”
Berbig concordou que ambas as equipes adquiriram conhecimentos importantes sobre sistemas de microgrid. “Todos os técnicos e engenheiros de relés [da PSE] me deixaram bastante confiante de que, quando eu tivesse uma dúvida ou se tivéssemos um problema para resolver, teríamos as pessoas certas para encontrar as soluções.”A PSE continua aprimorando o microgrid usando dados em tempo real do powerMAX e o feedback dos usuários da Ilha de Samish. O investimento da PSE para fornecer energia de reserva, especialmente durante a estação de tempestades, proporciona aos moradores uma sensação de segurança e fortalece a resiliência da comunidade. O projeto reflete o compromisso da PSE em fornecer energia segura e confiável e em implementar mudanças significativas.“Ter um sistema elétrico de reserva tem sido um objetivo nosso há muito tempo”, reflete o comandante Collins. “Agora temos energia elétrica confiável e suficiente para nos manter em funcionamento, manter as luzes acesas e para podermos servir nossa comunidade da maneira que ela espera.”