PAPER 1/7. Análisis de Estabilidad en un Sistema Eléctrico de Potencia, con significativa inserción de Fuentes Renovables.

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1 PAPER 1/7 Títlo Análii de Etabilidad en n Sitema Eléctrico de Potencia, con igniicativa inerción de Fente Renovable. Propeta de eión * 03 Atore del Trabajo Nombre Paí Lca Alejandro Walant Brail walant@ece.rg.br Roberto Chohy Leborge Brail rcl@ece.rg.br Gabriel André Valencia Brail gabriel.valencia@rg.br RESUMEN Ete trabajo preenta n etdio del comportamiento de n itema eléctrico de potencia con igniicativa conexión de ente renovable. Utilizando n modelo elaborado de lo dierente componente del itema etdiado, on realizada rigroa imlacione comptacionale, a travé de lo programa ANAREDE y ANATEM. Será coniderada la inyección de ente renovable como parqe eólico y centrale hidrálica, para obtener el comportamiento de eta intalacione conectada al itema eléctrico de potencia. Etdio paramétrico on realizado con el objetivo de veriicar el comportamiento dinámico y la repeta tranitoria del itema, tale como tiempo de eliminación de alta y obrecarga del itema. Un etdio de cao, para n itema eqivalente de tranmiión de Río Grande do Sl Brail) e preentado. El modelo dearrollado e imlado para dierente ecenario de etdio. 1 / 7

2 PAPER 2/7 1. INTRODUÇÃO O itema elétrico de potência SEP) etão jeito a dierente tipo de alta, dependendo da natreza e da dração da alta, pode aetar a coniabilidade, e por tanto a capacidade de ornecimento de energia elétrica. Para ito o etdo de etabilidade ão importante de orma de azer ma correta incronização na proteçõe do itema e minimizar o dano à rede e ao conmidore. Dentro dete contexto, o etdo de etabilidade de SEP poem grande importância, poi a etabilidade da máqina geradora é eencial para ma operação egra e coniável do itema ao qai etão conectado. A propota dete trabalho é apreentar m etdo de etabilidade do itema de potência, do ponto de vita da geração, com inerção de onte renovávei, com principal enoqe em parqe eólico e centrai hidrelétrica. Ete tipo de etdo é neceário para conhecer o comportamento e planejar o reorço do itema elétrico de potência. A análie é realizada para m modelo impliicado do itema elétrico do Rio Grande do Sl, Brail, o qal permite m melhor controle obre a variávei do problema a er reolvido. Será obervado como ete itema e comporta diante de itaçõe como, crto-circito, e deligamento do parqe eólico. O etdo de cao oi imlado no programa ANAREDE e ANATEM. 2. MODELAGEM DO PROBLEMA DE ESTABILIDADE 2.1 EQUAÇÃO ELECTROMECÂNICA A egir, erá introdzida a eqação ndamental qe relaciona grandeza elétrica e mecânica para o noo etdo de etabilidade de geradore em ma rede elétrica, qe erá útil na contrção de m modelo eletromecânico do itema. 2.2 EQUAÇÃO DE OSCILAÇÃO A eqação dinâmica do movimento anglar do rotor do gerador é chamada de eqação de wing o de ocilação, relacionando o torqe de aceleração com o proo de momento de inércia J pela aceleração anglar [1] [2]. J T T T a m e Onde: T m : torqe mecânico. 1) T e : torqe eletromagnético. T a : torqe de aceleração. O torqe mecânico tem origem no agente motor ága em hidrelétrica, vapor em termelétrica, por exemplo), e a potência elétrica exigida pela carga gera torqe eletromagnético, atravé do campo magnético [2]. Se a máqina etá ncionando como gerador, o torqe mecânico ata no entido de acelerar o rotor do gerador, e o torqe elétrico no entido contrário [3]. Dea orma, e o torqe mecânico or maior qe o eletromagnético, a aceleração é poitiva e, cao contrário, a máqina ore ma deaceleração. Em regime permanente, ambo o torqe ão igai e a máqina opera com aceleração nla e velocidade contante. A poição anglar do rotor e dado pela eginte eqação: Onde: ) r t r : velocidade anglar do rotor. : velocidade íncrona de reerência. : poição anglar de reerência. 0 O ânglo t é o reltado do movimento anglar do rotor na velocidade nominal qe chamaremo ) n n 0 2). O ânglo é variável no tempo e repreenta devio do delocamento anglar do rotor em relação à poição anglar íncrona. 3 MODELAGEM DO SISTEMA 3.1 PARQUES EÓLICOS A energia eólica etá entre a onte de energia renovável de maior crecimento em todo o mndo e tem e motrado ma alternativa viável para o ornecimento de energia elétrica, inerindo-e como ma importante onte no mercado energético mndial. Um parqe eólico conite de dezena de geradore movido por trbina eólica. Atalmente, o geradore eólico ão encontrado comercialmente para potência qe chegam até 5 MW. A máqina primária do geradore eólico é a trbina eólica, qe tiliza o vento para prodzir energia mecânica. No entanto, a prodção de energia de m parqe eólico depende da variabilidade do vento, qe é irreglar, e 2 / 7

3 PAPER 3/7 a capacidade de depacho depende da diponibilidade do vento no momento em qe a carga é exigida, de modo qe e torna diícil realizar ma operação programada [4]. Além dio, a energia extraída da trbina pode er maximizada e a velocidade da trbina ege a velocidade do vento mantendo ma relação ixa entre a velocidade linear da hélice e a velocidade do vento. Para alcançar ee objetivo, praticamente toda a trbina eólica ão projetada com m do qatro tipo báico de geradore motrado na Figra 1 [5]. converor de reqência com proceamento parcial da potência 20% a 30% da potência nominal do gerador) no circito do rotor. O converor realiza a compenação de potência reativa e ma conexão ave à rede. O converor opera em qalqer do qatro qadrante, o eja, o lxo de potência ativa e reativa podem e dar em ambo o entido. O gerador eólico Tipo 4 correponde à trbina eólica com ampla variação de velocidade, com o gerador conectado à rede atravé de m converor de reqência com proceamento total da potência. O gerador pode er íncrono de rotor bobinado GSRB), de indção com rotor bobinado GIRB), o íncrono com imã permanente GSIP) [4]. Nete trabalho ão tilizado geradore íncrono mltipolo. Nete cao a máqina elétrica ão conectada a rede elétrica atravé de m inveror de reqência. Devido ao elevado número de polo a velocidade de rotação do rotor do gerador é mai baixa e o eixo do rotor do gerador é ligado diretamente ao eixo do rotor da trbina em a neceidade de caixa de engrenagen. 3.2 MODELAGEM DO PARQUE EÓLICO O eqema báico do eqipamento envolvido do parqe eólico tilizando gerador íncrono de velocidade variável é apreentado na Figra 2 e o eqema de controle na Figra 3 [6]. Figra 1 Conigração do geradore eólico [5]. O gerador eólico Tipo 1 conite nm aerogerador qe opera com velocidade ixa e caixa mltiplicadora. O gerador de indção com rotor tipo gaiola de eqilo GIRG) é conectado diretamente à rede atravé de m tranormador. O GIRG tem a caracterítica de aborver potência reativa da rede, por io, tiliza-e m banco de capacitore para compenação de potência reativa [5]. O gerador eólico Tipo 2 correponde à trbina eólica de velocidade variável limitada com reitência de rotor variável. Utiliza-e m gerador de indção com rotor bobinado GIRB) conectado diretamente à rede. Um banco de capacitore realiza a compenação de potência reativa. O gerador eólico Tipo 3, conhecido como gerador de indção com dpla alimentação GIDA) o DFIG do inglê, dobly-ed indction generator), correponde à trbina eólica de velocidade variável limitada com gerador de indção o de rotor bobinado e Figra 2 Eqema de conexão tilizando gerador íncrono Figra 3 Eqema báico de controle do gerador eólico de velocidade variável Onde o converor vito na Figra 2 e compoto por trê etapa. A primeira etapa dete converor e compota por m retiicador de onda completa ponte de diodo) qe tranorma a corrente alternada de reqência variável em corrente aproximadamente contina, apo paar pelo retiicador, eta corrente retiicada tem e valor controlado por m converor 3 / 7

4 PAPER 4/7 cc-cc tipo chopper, qe mantem a corrente contina em m valor contante deejado e diponibiliza eta corrente retiicada para o elo CC, o eja, ele tem como principal nção controlar a corrente. Ete elo CC e compoto pelo barramento de corrente contina, inor de aliamento e capacitore. Ele e o eqipamento reponável pela iltragem da tenão e corrente contina orinda do retiicador. A última etapa do converor de reqência é compota pelo inveror. Ele é o reponável pela conexão do elo cc com a rede elétrica. Ete eqipamento tranorma a corrente contina diponibilizada em corrente alternada, com reqência de 60 Hz. A etapa de potência do inveror e compoto por chave eletrônica do tipo IGBT do inglê Inlated Gate Bipolar Tranitor), operando com modlação tipo PWM do inglê Ple-Wih Modlation), portanto ele tem a capacidade de controlar o nível da a tenão de entrada a im de obter a corrente deejada na a aída. Neta conigração, o inveror opera como ma onte de corrente para a rede elétrica, medindo intantaneamente o valor de tenão da rede e calclando o valor de corrente qe deve er injetado pelo converor para qe determinado valor de potência ativa e de potência reativa ejam atingido. [5]. 3.3 MODELAGEM DOS GERADORES HIDRELETRICOS A análie da máqina íncrona é commente eita por meio de m circito elétrico de parâmetro concentrado. Um do modelo mai tilizado derivado da Teoria de Park) tranorma a grandeza triáica do etator a m novo itema de reerência, ortogonal e ixo ao rotor, conhecido como eixo D-Q Direto e Qadratra) [1] [7]. A tenõe etatórica etão exprea repeito a m itema de reerência ixo no etator e a tenõe rotórica ão exprea em nção do itema de reerência rotante ligado ao rotor. Aim, temo: Enrolamento etatórico: Enrolamento rotórico: R i d Figra 4 Repreentação elétrica da máqina íncrona Onde o parâmetro da máqina incrônica e decrevem na Tabela 1: Tabela 1: Parâmetro da máqina incrônica. reitência R etatórica t) B t, tenõe intantânea em cada ae do etator A, ) C t) i A t), t) i B, i C t) t) A, t B ) Ct) R i, 4) corrente intantânea em cada ae do etator lxo totai atravé de cada ae do etator reitência do enrolamento rotórico tenão intantânea do rotor corrente intantânea do rotor lxo total atravé do enrolamento do rotor A B C t) R i t) R i t) R i A B C da t) t) db t) t) dc t) t) 1) 2) 3) O modelo do gerador íncrono tilizado na imlaçõe dinâmica é m modelo de gerador do tipo polo aliente movimentado por trbina hidrálica de baixa velocidade. 3.4 SISTEMA DE EXCITAÇÃO A nção do itema de excitação é prover corrente contína ao enrolamento de campo da máqina íncrona com objetivo de etabelecer a 4 / 7

5 PAPER 5/7 tenão interna do gerador íncrono. Em coneqência, o itema de excitação é reponável não omente pela tenão de aída da máqina, ma também pelo ator de potência e pela magnitde da corrente gerada. Além, o itema de excitação realizam ncione de controle e proteção para ter m bom deempenho no SEP, controlando a tenão e corrente de campo [1]. O modelo do reglador de tenão e a excitatriz ão repreentado na Figra 5 [5]. Figra 5 Sitema de Excitação implementado [5]. 3.5 PROGRAMAS DE SIMULAÇÃO O programa tilizado oram deenvolvido pelo Centro de Peqia da Eletrobrá CEPEL) [2]. O ANAREDE Programa de Análie de Rede) o qal apreenta na orma de m diagrama niilar toda a inormaçõe do reltado da imlação de lxo de potência, com a poibilidade de identiicaçõe do elemento com obrecarga, btenão e obretenão em regime permanente. O ANATEM Programa de Análie de Tranitório Eletromecânico) é ma aplicação comptacional para etdo de etabilidade tranitória de itema elétrico de potência. Se oco é dirigido para a imlação no domínio do tempo e para a análie dinâmica do itema elétrico de potência, viando à avaliação da etabilidade eletromecânica. 4 ESTUDIO DE CASO Nete etdo conidero-e para análie m itema elétrico impliicado do itema do Rio Grande do Sl, ver Figra 1. Eta rede etá interligada ao SIN Sitema Interligado Nacional) atravé da conexão de m itema de tranmião de 230 kv e 525 kv. O itema imlado é compoto por 41 barra, 3 tranormadore e 89 linha de tranmião. No itema, ete onte de geração ão conectada, entre ela ina hidroelétrica UHE), ina termoelétrica UTE), e ina eólica UEOL). A Tabela 2 apreenta a potência intalada de cada ma da ina. O parqe eólico é ormando por m conjnto de 295 aerogeradore, cada aerogerador tem ma potência de 850 kw e é eqipado com m gerador íncrono de velocidade variável ligado ao itema de potência com converore de reqência. A ina hidrelétrica e termelétrica ão eqipada com geradore íncrono de velocidade ixa. Tabela 2 Fonte de geração do etdo de cao. T Nome Potência ipo UHE Campo Novo 1 x 311 MVA ) UHE Santo Ângelo 1 x 737 MVA) UTE Preidente Médici 2 x 160 MVA) UHE Pao Real 1 x 84 MVA) UHE Santa Maria 6 x 30 MVA) UHE Dona Francica 2 x 62,5 MVA) UEOL Oorio 1 x 250 MVA) TOTAL 2007 MVA O lxo de carga oi exectado no ANAREDE de orma a obter o ponto de operação inicial do itema, com o motivo de gerar a imlaçõe dinâmica no ANATEM. 5 / 7

6 PAPER 6/7 Figra 6 Sitema de tranmião do etdo de cao. RESULTADOS A primer imlação eita nete trabalho oi realizada amentando-e a potência de inerção do parqe eólico. Obtiveram-e o ponto iniciai de operação do lxo de potência do itema no ANAREDE, variando a potência na aixa de 100MW até 300MW, em intervalo de 50 MW. Utilizando o dierente cao de lxo de potência gerado no ANAREDE, oram aplicada alta triáica em divera barra, com dierente tempo de dração Figra 7, Figra 8). Neta mema imlação, além de variar a potência do parqe eólico, e realizo m evento no qal ele era deligado, com o objetivo de veriicar o deempenho dinâmico da rede elétrica em ea onte de geração. Na Figra 7, podemo obervar o reltado da imlação, onde oi veriicada, em todo o cao, a potência gerada no parqe eólico, logo apó a eliminação da alta triáica. Figra 7 Comportamento dinâmico da potência elétrica injetada pelo parqe eólico Em todo o cao imlado e oberva qe é mantida a etabilidade do itema. Ito é devido a ato do geradore eólico etarem conectado à rede de 60HZ atravé de converore de reqência ca-cc-ca. A Figra 8 repreenta a repota do ânglo do geradore íncrono do itema em etdo. Logo apó a remoção do parqe eólico, o itema permanece etável em todo o cao. Figra 8 Repota dinâmica do ânglo do rotor do dierente geradore íncrono do itema A egnda imlação realizada nete trabalho tem por objetivo avaliar o impacto da variação do vento na etabilidade tranitória do itema em etdo. Coniderando a inerção de potência elétrica do parqe eólico, oram realizada imlaçõe tetando-e para dierente velocidade do vento o comportamento do parqe eólico e do itema propoto. A Figra 9 decreve o comportamento da potência injetada no itema de etdo pelo parqe eólico, qando o memo é bmetido à ma velocidade do vento qe varia coniderando ma média de 9,8 m/. A caracterítica do vento tem componente de rampa, trblência e rajada [4], Figra 10, o qal aeta o ponto de ncionamento do gerador eólico, e, coneqentemente, a potência ornecida pelo parqe 6 / 7

7 PAPER 7/7 ao itema, lxo de potência, ânglo do geradore e tenão da barra. Figra 8 Potência elétrica gerada no parqe eólico qando é aplicado ma variação do vento. Divero cenário oram imlado, coniderando dierente atore na geração eólica, como variação do vento e perda do parqe eólico. A variaçõe na potência elétrica, a caa da contingência imlada, caaram ltaçõe na tenão, ma ito não troxe intabilidade no parqe eólico nem na otra máqina convencionai. O impacto do aerogeradore obre o deempenho do itema não ão igniicativo, não devendo inlenciar o deempenho da rede báica, endo o ponto de conexão adeqado em nção do etdo de etabilidade tranitória do itema para o cenário analiado. 4 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] KUNDUR, P. Power Sytem Stability and Control. 1t. ed. New York, NY, U.S.A.: McGraw-Hill Proeional, EPRI Power Sytem Serie). ISBN X. Figra 9 Velocidade do vento aplicado no parqe eólico. A Figra 11 apreenta repectivamente a repota dinâmica do ânglo do rotor do dierente geradore íncrono do itema qando o vento varia egndo a Figra 10. Nete cao o itema apreentae etável. [2] ZANETTA JR, L. C. Fndamento de Sitema Elétrico de Potência ed.- São Palo. ISBN [3] BRETAS G. N.; ALBERTO L. F. C. Etabilidade Tranitória em itema Eletroenergético. São Carlo: EESC- USP, PROJETO REENGE p. ISBN [4] E, MULJADI, V. GEVORGIAN, Short-Circit Modeling o a Wind Power Plant [5] T, ACKERMANN. Wind Power in Power Sytem. Royal Intitte o Technology, Stockholm, Sweden: Jhon Wiley & Son, Ltd ISBN: Figra 10 Repota dinâmica do ânglo do rotor do dierente geradore íncrono do itema. Como pode er vito atravé da imlaçõe a inlencia da variaçõe do vento no parqe eólico, oram convertida em ltaçõe no torqe mecânico e tranmitida à rede elétrica Figra 11. [6] CENTRO DE PESQUISAS DE ENERGÍA ELÉTRICA CEPEL). Programa ANATEM Análie de Tranitório Electomecânico V : manal do ário. Rio de Janeiro, RJ, Brail: CEPEL, 2010b. [7] FITZGERALD, A. E.; KINGSLEY JR, C.; UMANS, S. D. Máqina Elétrica. 6.ed.. 5 CONCLUÇÕES Ete trabalho invetigo o impacto da inerção de potência de onte renovávei como ão a ina hidrelétrica e eólica, na etabilidade tranitória do itema elétrico de potência. 7 / 7