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Ttulo Anlisis de Estabilidad en un Sistema Elctrico de Potencia, con

significativa insercin de Fuentes Renovables.

Propuesta de sesin * 03

Autores del Trabajo

Nombre Pas e-mail

Lucas Alejandro Walantus Brasil walantus@ece.ufrgs.br

Roberto Chouhy Leborge Brasil rcl@ece.ufrgs.br

Gabriel Andrs Valencia Brasil gabriel.valencia@ufrgs.br

RESUMEN Este trabajo presenta un estudio del comportamiento de un sistema elctrico de

potencia con significativa conexin de fuentes renovables. Utilizando un modelo elaborado de los diferentes componentes del sistema estudiado, son realizadas rigurosas simulaciones computacionales, a travs de los programas ANAREDE y ANATEM. Ser considerada la inyeccin de fuentes renovables como parques elicos y centrales hidrulicas, para obtener el comportamiento de estas instalaciones conectadas al sistema elctrico de potencia. Estudios paramtricos son realizados con el objetivo de verificar el comportamiento dinmico y la respuesta transitoria del sistema, tales como tiempo de eliminacin de falta y sobrecarga del sistema. Un estudio de caso, para un sistema equivalente de transmisin de Ro Grande do Sul (Brasil) es presentado. El modelo desarrollado es simulado para diferentes escenarios de estudio.

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1. INTRODUO

Os sistemas eltricos de potncia (SEP) esto

sujeitos a diferentes tipos de faltas, dependendo da

natureza e da durao da falta, pode afetar a

confiabilidade, e por tanto a capacidade de

fornecimento de energia eltrica. Para isto os estudos

de estabilidade so importantes de forma de fazer uma

correta sincronizao nas protees do sistema e

minimizar os danos s redes e aos consumidores.

Dentro deste contexto, os estudos de estabilidade

de SEP possuem grande importncia, pois a

estabilidade das mquinas geradoras essencial para

uma operao segura e confivel dos sistemas aos

quais esto conectados.

A proposta deste trabalho apresentar um estudo

de estabilidade do sistema de potncia, do ponto de

vista da gerao, com insero de fontes renovveis,

com principal enfoque em parques elicos e centrais

hidreltricas. Este tipo de estudo necessrio para

conhecer o comportamento e planejar os reforos do

sistema eltrico de potncia.

A anlise realizada para um modelo

simplificado do sistema eltrico do Rio Grande do Sul,

Brasil, o qual permite um melhor controle sobre as

variveis do problema a ser resolvido. Ser observado

como este sistema se comporta diante de situaes

como, curto-circuito, e desligamentos do parque

elico. O estudo de caso foi simulado nos programas

ANAREDE e ANATEM.

2. MODELAGEM DO PROBLEMA DE ESTABILIDADE

2.1 EQUAO ELECTROMECNICA

A seguir, ser introduzida a equao fundamental

que relaciona grandezas eltricas e mecnicas para o

nosso estudo de estabilidade de geradores em uma

rede eltrica, que ser til na construo de um modelo

eletromecnico do sistema.

2.2 EQUAO DE OSCILAO

A equao dinmica do movimento angular do

rotor do gerador chamada de equao de swing ou de

oscilao, relacionando o torque de acelerao com o

produto de momento de inrcia J pela acelerao

angular

[1] [2].

a m eJ T T T

(

1)

Onde:

mT : torque mecnico.

eT : torque eletromagntico.

aT : torque de acelerao.

O torque mecnico tem origem no agente motor

(gua em hidreltricas, vapor em termeltricas, por

exemplo), e a potncia eltrica exigida pelas cargas

gera torques eletromagnticos, atravs dos campos

magnticos [2]. Se a mquina est funcionando como

gerador, o torque mecnico atua no sentido de acelerar

o rotor do gerador, e o torque eltrico no sentido

contrrio [3]. Dessa forma, se o torque mecnico for

maior que o eletromagntico, a acelerao positiva e,

caso contrrio, a mquina sofre uma desacelerao.

Em regime permanente, ambos os torques so iguais e

a mquina opera com acelerao nula e velocidade

constante.

A posio angular do rotor e dado pela seguinte equao:

0( )r s t (

2)

Onde:

r : velocidade angular do rotor.

s : velocidade sncrona de referncia.

0 : posio angular de referncia.

O ngulo s st o resultado do movimento angular do rotor na velocidade nominal que

chamaremos ( )n n s . O ngulo varivel no tempo e representa desvios do deslocamento angular

do rotor em relao posio angular sncrona s .

3 MODELAGEM DO SISTEMA

3.1 PARQUES ELICOS

A energia elica est entre as fontes de energia

renovvel de maior crescimento em todo o mundo e

tem se mostrado uma alternativa vivel para o

fornecimento de energia eltrica, inserindo-se como

uma importante fonte no mercado energtico mundial.

Um parque elico consiste de dezenas de

geradores movidos por turbinas elicas. Atualmente,

os geradores elicos so encontrados comercialmente

para potncias que chegam at 5 MW. A mquina

primria dos geradores elicos a turbina elica, que

utiliza o vento para produzir energia mecnica. No

entanto, a produo de energia de um parque elico

depende da variabilidade dos ventos, que irregular, e

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a capacidade de despacho depende da disponibilidade

dos ventos no momento em que a carga exigida, de

modo que se torna difcil realizar uma operao

programada [4].

Alm disso, a energia extrada da turbina pode

ser maximizada se a velocidade da turbina segue a

velocidade do vento mantendo uma relao fixa entre

a velocidade linear das hlices e a velocidade do

vento. Para alcanar esses objetivos, praticamente

todas as turbinas elicas so projetadas com um dos

quatro tipos bsicos de geradores mostrados na Figura

1 [5].

Figura 1 Configurao dos geradores elicos [5].

O gerador elico Tipo 1 consiste num

aerogerador que opera com velocidade fixa e caixa

multiplicadora. O gerador de induo com rotor tipo

gaiola de esquilo (GIRG) conectado diretamente

rede atravs de um transformador. O GIRG tem a

caracterstica de absorver potncia reativa da rede, por

isso, utiliza-se um banco de capacitores para

compensao de potncia reativa [5].

O gerador elico Tipo 2 corresponde turbina

elica de velocidade varivel limitada com resistncia

de rotor varivel. Utiliza-se um gerador de induo

com rotor bobinado (GIRB) conectado diretamente

rede. Um banco de capacitores realiza a compensao

de potncia reativa.

O gerador elico Tipo 3, conhecido como

gerador de induo com dupla alimentao (GIDA) ou

DFIG (do ingls, doubly-fed induction generator),

corresponde turbina elica de velocidade varivel

limitada com gerador de induo o de rotor bobinado e

conversor de frequncia com processamento parcial da

potncia (20% a 30% da potncia nominal do gerador)

no circuito do rotor. O conversor realiza a

compensao de potncia reativa e uma conexo suave

rede. O conversor opera em qualquer dos quatros

quadrantes, ou seja, os fluxos de potncia ativa e

reativa podem se dar em ambos os sentidos.

O gerador elico Tipo 4 corresponde turbina

elica com ampla variao de velocidade, com o

gerador conectado rede atravs de um conversor de

frequncia com processamento total da potncia. O

gerador pode ser sncrono de rotor bobinado (GSRB),

de induo com rotor bobinado (GIRB), ou

sncrono com im permanente (GSIP) [4].

Neste trabalho so utilizados geradores sncronos

multipolos. Neste caso as mquinas eltricas so

conectadas a rede eltrica atravs de um inversor de

frequncia.

Devido ao elevado nmero de polos a velocidade

de rotao do rotor do gerador mais baixa e o eixo do

rotor do gerador ligado diretamente ao eixo do rotor

da turbina sem a necessidade de caixas de

engrenagens.

3.2 MODELAGEM DO PARQUE ELICO

O esquema bsico dos equipamentos envolvidos

do parque elico utilizando gerador sncrono de

velocidade varivel apresentado na Figura 2 e o

esquema de controle na Figura 3 [6].

Figura 2 Esquema de conexo utilizando gerador

sncrono

Figura 3 Esquema bsico de controle do gerador elico

de velocidade varivel

Onde o conversor visto na Figura 2 e composto

por trs etapas. A primeira etapa deste conversor e

composta por um retificador de onda completa (ponte

de diodos) que transforma a corrente alternada de

frequncia varivel em corrente aproximadamente

continua, apos passar pelo retificador, esta corrente

retificada tem seu valor controlado por um conversor

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cc-cc tipo chopper, que mantem a corrente continua

em um valor constante desejado e disponibiliza esta

corrente retificada para o elo CC, ou seja, ele tem

como principal funo controlar a corrente. Este elo

CC e composto pelo barramento de corrente continua,

indutor de alisamento e capacitores. Ele e o

equipamento responsvel pela filtragem da tenso e

corrente continua oriundas do retificador.

A ltima etapa do conversor de frequncia

composta pelo inversor. Ele o responsvel pela

conexo do elo cc com a rede eltrica. Este

equipamento transforma a corrente continua

disponibilizada em corrente alternada, com frequncia

de 60 Hz.

A etapa de potncia do inversor e composto por

chaves eletrnicas do tipo IGBT do ingls (Insulated

Gate Bipolar Transistor), operando com modulao

tipo PWM do ingls (Pulse-Width Modulation),

portanto ele tem a capacidade de controlar o nvel da

sua tenso de entrada a fim de obter a corrente

desejada na sua sada.

Nesta configurao, o inversor opera como uma

fonte de corrente para a rede eltrica, medindo

instantaneamente o valor de tenso da rede e

calculando o valor de corrente que deve ser injetado

pelo conversor para que determinados valors de

potncia ativa e de potncia reativa sejam atingidos.

[5].

3.3 MODELAGEM DOS GERADORES HIDRELETRICOS

A anlise da mquina sncrona comumente

feita por meio de um circuito eltrico de parmetros

concentrados. Um dos modelos mais utilizados

(derivados da Teoria de Park) transforma as grandezas

trifsicas do estator a um novo sistema de referncia,

ortogonal e fixo ao rotor, conhecido como eixos D-Q

(Direto e Quadratura) [1] [7].

As tenses estatricas esto expressas respeito a

um sistema de referncia fixo no estator e as tenses

rotricas so expressas em funo do sistema de

referncia rotante ligado ao rotor. Assim, temos:

Enrolamento estatrico:

dt

tdtiRtu sAsAssA

)()()(

(

1)

dt

tdtiRtu sBsBssB

)()()(

(

2)

dt

tdtiRtu sCsCssC

)()()(

(

3)

Enrolamento rotrico:

dt

diRu

f

fff

(

4)

Figura 4 Representao eltrica da mquina sncrona

Onde os parmetros da mquina sincrnica se

descrevem na Tabela 1:

Tabela 1: Parmetros da mquina sincrnica.

sR resistncia

estatrica

)(tusA , )(tusB ,

)(tusC

tenses

instantneas em cada fase

do estator

)(tisA , )(tisB ,

)(tisC

correntes

instantneas em cada fase

do estator

)(tsA , )(tsB ,

)(tsC

fluxos totais

atravs de cada fase do

estator

fR resistncia do

enrolamento rotrico

fu tenso instantnea

do rotor

fi corrente

instantnea do rotor

f fluxo total atravs

do enrolamento do rotor

O modelo do gerador sncrono utilizado nas

simulaes dinmicas um modelo de gerador do tipo

polos salientes movimentado por turbinas hidrulicas

de baixa velocidade.

3.4 SISTEMA DE EXCITAO

A funo dos sistemas de excitao prover

corrente contnua ao enrolamento de campo das

mquinas sncronas com objetivo de estabelecer a

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tenso interna do gerador sncrono. Em consequncia,

o sistema de excitao responsvel no somente pela

tenso de sada da mquina, mas tambm pelo fator de

potncia e pela magnitude da corrente gerada. Alm,

os sistemas de excitao realizam funciones de

controle e proteo para ter um bom desempenho nos

SEP, controlando a tenso e corrente de campo [1]. O

modelo do regulador de tenso e a excitatriz so

representados na Figura 5 [5].

Figura 5 Sistema de Excitao implementado [5].

3.5 PROGRAMAS DE SIMULAO

Os programas utilizados foram desenvolvidos

pelo Centro de Pesquisas da Eletrobrs (CEPEL) [2].

O ANAREDE (Programa de Anlise de Redes) o qual

apresenta na forma de um diagrama unifilar todas as

informaes dos resultados da simulao de fluxo de

potncia, com a possibilidade de identificaes dos

elementos com sobrecarga, subtenso e sobretenso

em regime permanente.

O ANATEM (Programa de Anlise de

Transitrios Eletromecnicos) uma aplicao

computacional para estudos de estabilidade transitria

de sistemas eltricos de potncia. Seu foco dirigido

para a simulao no domnio do tempo e para a anlise

dinmica do sistema eltrico de potncia, visando

avaliao da estabilidade eletromecnica.

4 ESTUDIO DE CASO

Neste estudo considerou-se para anlise um

sistema eltrico simplificado do sistema do Rio

Grande do Sul, ver Figura 1. Esta rede est interligada

ao SIN (Sistema Interligado Nacional) atravs da

conexo de um sistema de transmisso de 230 kV e

525 kV. O sistema simulado composto por 41 barras,

3 transformadores e 89 linhas de transmisso.

No sistema, sete fontes de gerao so

conectadas, entre elas usinas hidroeltricas (UHE),

usinas termoeltricas (UTE), e usinas elicas (UEOL).

A Tabela 2 apresenta a potncia instalada de cada uma

das usinas.

O parque elico formando por um conjunto de

295 aerogeradores, cada aerogerador tem uma potncia

de 850 kW e equipado com um gerador sncrono de

velocidade varivel ligado ao sistema de potncia com

conversores de frequncia.

As usinas hidreltricas e termeltricas so

equipadas com geradores sncronos de velocidade fixa.

Tabela 2 Fontes de gerao do estudo de caso.

T

ipo

Nome Potncia

UHE Campos Novos (1 x 311 MVA )

UHE Santo ngelo (1 x 737 MVA)

UTE Presidente Mdici (2 x 160 MVA)

UHE Passo Real (1 x 84 MVA)

UHE Santa Maria (6 x 30 MVA)

UHE Dona Francisca (2 x 62,5 MVA)

UEOL Osorio (1 x 250 MVA)

TOTAL 2007

MVA

O fluxo de carga foi executado no ANAREDE

de forma a obter o ponto de operao inicial do

sistema, com o motivo de gerar as simulaes

dinmicas no ANATEM.

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Figura 6 Sistema de transmisso do estudo de caso.

RESULTADOS

A primer simulao feita neste trabalho foi

realizada aumentando-se a potncia de insero do

parque elico. Obtiveram-se os pontos iniciais de

operao do fluxo de potncia do sistema no

ANAREDE, variando a potncia na faixa de 100MW

at 300MW, em intervalos de 50 MW. Utilizando os

diferentes casos de fluxo de potncia gerados no

ANAREDE, foram aplicadas faltas trifsicas em

diversas barras, com diferentes tempos de durao

(Figura 7, Figura 8).

Nesta mesma simulao, alm de variar a

potncia do parque elico, se realizou um evento no

qual ele era desligado, com o objetivo de verificar o

desempenho dinmico da rede eltrica sem essa fonte

de gerao.

Na Figura 7, podemos observar o resultado da

simulao, onde foi verificada, em todos os casos, a

potncia gerada no parque elico, logo aps a

eliminao da falta trifsica.

Figura 7 Comportamento dinmico da potncia

eltrica injetada pelo parque elico

Em todos os casos simulados se observa que

mantida a estabilidade do sistema. Isto devido a fato

dos geradores elicos estarem conectados rede de

60HZ atravs de conversores de frequncia ca-cc-ca.

A Figura 8 representa a resposta dos ngulos dos

geradores sncronos do sistema em estudo. Logo aps

a remoo do parque elico, o sistema permanece

estvel em todos os casos.

Figura 8 Resposta dinmica do ngulo do rotor dos

diferentes geradores sncronos do sistema

A segunda simulao realizada neste trabalho

tem por objetivo avaliar o impacto da variao do

vento na estabilidade transitria do sistema em estudo.

Considerando a insero de potncia eltrica do parque

elico, foram realizadas simulaes testando-se para

diferentes velocidades do vento o comportamento do

parque elico e do sistema proposto.

A Figura 9 descreve o comportamento da potncia

injetada no sistema de estudo pelo parque elico,

quando o mesmo submetido uma velocidade do

vento que varia considerando uma mdia de 9,8 m/s.

As caractersticas do vento tem componente de rampa,

turbulncia e rajada [4], Figura 10, o qual afeta o

ponto de funcionamento do gerador elico, e,

consequentemente, a potncia fornecida pelo parque

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ao sistema, fluxo de potncia, ngulos dos geradores e

tenso das barras.

Figura 8 Potncia eltrica gerada no parque elico quando

aplicado uma variao do vento.

Figura 9 Velocidade do vento aplicado no parque elico.

A Figura 11 apresenta respectivamente a

resposta dinmica do ngulo do rotor dos diferentes

geradores sncronos do sistema quando o vento varia

segundo a Figura 10. Neste caso o sistema apresenta-

se estvel.

Figura 10 Resposta dinmica do ngulo do rotor dos

diferentes geradores sncronos do sistema.

Como pode ser visto atravs das simulaes a

influencia das variaes do vento no parque elico,

foram convertidas em flutuaes no torque mecnico e

transmitidas rede eltrica Figura 11.

5 CONCLUES

Este trabalho investigou o impacto da insero de

potncia de fontes renovveis como so as usinas

hidreltricas e elicas, na estabilidade transitria do

sistema eltrico de potncia.

Diversos cenrios foram simulados, considerando

diferentes fatores na gerao elica, como variao do

vento e perda do parque elico.

As variaes na potncia eltrica, a causa das

contingncias simuladas, causaram flutuaes na

tenso, mas isto no trouxe instabilidade no parque

elico nem nas outras mquinas convencionais.

Os impactos dos aerogeradores sobre o

desempenho do sistema no so significativos, no

devendo influenciar o desempenho da rede bsica,

sendo o ponto de conexo adequado em funo dos

estudos de estabilidade transitria do sistema para os

cenrios analisados.

4 REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS

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Control. 1st. ed. New York, NY, U.S.A.:

McGraw-Hill Professional, 1994. (EPRI Power

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[5] T, ACKERMANN. Wind Power in Power Systems. Royal Institute of Technology, Stockholm, Sweden: Jhon Wiley & Sons, Ltd.

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[6] CENTRO DE PESQUISAS DE ENERGA

ELTRICA (CEPEL). Programa ANATEM

Anlise de Transitrios Electomecnicos

V10.04.03: manual do usurio. Rio de Janeiro,

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[7] FITZGERALD, A. E.; KINGSLEY JR, C.;

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