VI SBQEE. 21 a 24 de agosto de 2005 Belém Pará Brasil

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1 VI SBQEE 2 a 24 de agoto de 25 Belém Pará Brail Código: BEL Tópico: Qualidade da Energia em Sitema com Geração Ditribuída ESTUDOS ELÉTRICOS EM REGIME PERMANENTE E DINÂMICO PARA CONEXÃO DE CENTRAIS EÓLICAS NO SISTEMA SAELPA WELLINGTON S. MOTA DANIELLY FORMIGA LUCIANO S. BARROS RUSÂNGELA GUIDO UFCG SAELPA UFCG SAELPA RESUMO Ete trabalho propõe uma metodologia para a avaliação da etabilidade de itema elétrico de potência contendo unidade de geração eólica. Foram modelado o Parque Eólico do Sitema SAELPA, onde inicialmente, procedeue uma análie do regime permanente. A contribuição da metodologia propota conite da integração de modelo de turbina eólica a um modelo linearizado de itema de potência. A análie da etabilidade erá feita atravé do poicionamento do autovalore da matriz de etado A do itema linearizado. Doi tipo de geradore ão coniderado: gerador de indução com rotor em gaiola (SCIG) e gerador de indução duplamente alimentado (DFIG). Atravé do reultado obtido pode-e contatar o melhor deempenho do gerador tipo DFIG no controle de tenão. PALAVRAS-CHAVE Energia eólica, imulação dinâmica, etabilidade de tenão, autovalore.. INTRODUÇÃO Há, atualmente, uma tendência de incentivo à geração de energia elétrica por fonte alternativa e no Brail detaca-e a criação do Programa Nacional de Incentivo à Fonte Alternativa de Energia Elétrica PROINFA, cuja finalidade é agregar ao itema elétrico braileiro aproximadamente 3.3 MW de potência a partir de fonte alternativa renovávei. Uma da forma de geração alternativa com grande potencial de aproveitamento é a energia eólica. Em geradore eólico, a converão de energia mecânica em elétrica é realizada de forma mai econômica, atravé de máquina aíncrona. Para etudo dinâmico de itema contendo geração eólica, faz-e neceário a modelagem de máquina aíncrona, e é requerida a repreentação da turbina eólica, que devem levar em conideração a natureza etocática da velocidade do vento. A quetão da etabilidade de tenão em um itema elétrico de potência cobre uma grande variedade de fenômeno. Para cada tipo de dicuão em torno da etabilidade de tenão, há empre o debate e a análie deve er feita com uma metodologia etática ou dinâmica abordando o eguinte ponto: crecimento de demanda, tete de caracterítica da carga, equema emergencial e condiçõe de obre-excitação. Ete tema é batante atual e de grande interee em univeridade e conceionária de energia elétrica. O objetivo dete trabalho é analiar o itema da SAELPA contendo geração eólica, atravé de etudo etático e dinâmico. Ete trabalho regitra um conjunto de tópico de interee relacionado ao etudo pré- SAELPA SOCIEDADE ANÔNIMA DA PARAÍBA, Rua Br 23 km 25, Bairro do Crito Redentor, João Peoa / PB CEP: Tel: 55 (83) 5-7 Fax: 55 (83)

2 776 operacionai e de condicionamento do itema elétrico de geração eólica, atravé do etudo dinâmico da etabilidade nete itema, com o objetivo de definir o apecto báico da etabilidade de tenão e o impacto cauado no itema por ete tipo de geração, quando do aproveitamento do grande potencial do Brail, relacionado a eta fonte alternativa de energia. 2. MODELO PARA SIMULAÇÃO DINÂMICA DAS UNIDADES EÓLICAS A modelagem para imulação dinâmica do itema em etudo correpondente à unidade de geração eólica conite do modelo mecânico em [], modelo de geradore e itema de controle. 2. Modelo de geradore 2.. SCIG O SCIG pode er repreentado pelo circuito equivalente referido ao etator, como motrado na Figura. Para conexão à rede atravé da tenão terminal, o modelo uado é repreentado por uma tenão interna atrá de uma impedância tranitória. o [ vd ) iq ] + vq v & d = ω (5) T [ vq + ( X ) id ] vq v & q = ω (6) em que, Lrr T o = Rr (7) é a contante de tempo tranitória de circuito aberto, e X = ωl (8) é a reatância de diperão do etator DFIG Para ete tipo de gerador a máquina pode er repreentada pelo circuito equivalente motrado na Figura 2, referido ao etator, para conexão à rede atravé da tenão terminal. V X I t R I t I a V t V X I t Figura Circuito equivalente do gerador de indução com rotor em gaiola. Em que, V t = vd + jvq () é a tenão terminal do gerador; I t = i d + ji q (2) é a corrente de armadura, e V = vd + jv q (3) é a tenão interna do gerador. R V t Figura 2 Circuito equivalente do gerador de indução duplamente alimentado. A fonte de corrente I a repreenta a corrente atravé do converor PWM C2, Figura 3. O cálculo de I a é feito a partir da definição da potência ativa e reativa entregue à rede atravé de C2, [3]. P g + jqg I total I a V a I V V r I r ω r Sendo, R a reitência de armadura, e 2 Lm X = ω L (4) Lrr a reatância tranitória do gerador de indução. C2 ac / cc Controlador V cc C cc / ac Controlador Crowbar A variaçõe da tenão interna do SCIG ão calculada atravé de (5) e (6), [2]. Figura 3 Sitema de geração tipo DFIG. A variaçõe da tenão interna do DFIG ão calculada atravé de (9) e (), [4].

3 777 o [ vd iq ] + ωvq ωefq v& d = ) (9) T [ vq + ( X id ] ω vd + ωefd v& q = ) () em que E FD e E FQ ão a componente da tenão V r, aplicada no rotor, oriunda do converor PWM C, referida ao circuito do etator, como motrado na Figura Sitema de controle do DFIG Controle do converor C: A decompoição de V r em variávei dq permite o controle deacoplado de potência e tenão, [5], Figura 4. Atravé de E FQ pode-e controlar a velocidade da máquina e portanto, a potência mecânica da turbina. Simultaneamente, a tenão terminal do gerador pode er controlada atravé de E. FD I dr V MAX excitação, SVC, linha de tranmião, carga, etc., para cálculo do autovalore do modelo para fin de análie de etabilidade dinâmica. O preente trabalho acrecenta a linearização de máquina de indução. 3. Gerador de indução tipo SCIG Variávei de etado: [ vd ) iq ] + ωvq + ω vq v d = v q = [ vq ) id ] + ωvd + ω vd = P e 2H & () & (2) & (3) & (4) = ω Variávei algébrica: v' = R i i + v (5) d d q d v q = R iq id + vq ' (6) (7) = ( Vd Vd + Vq Vq )/ Pe = Vd Id + Id Vd + Vq Iq + Iq Vq (8) V t K A + T A I dr Ref K E + T E E FD 3.2 Gerador de indução tipo DFIG P g V t Ref P g Ref M u + T e I qr Ref I qr K q2 + Figura 4 Controle do converor C. V MIN T q XV MIN XV MAX Controle do converor C2: A corrente I a é forçada pela ação do converor C2 de acordo com o inal do controlador. A etratégia de controle é baeada na teoria da potência intantânea, [6]. A potência reativa é definida de acordo com o fator de potência deejado e a potência ativa é definida pela tenão V cc. O controle de V cc, Figura 5, atua para manter a potência ativa atravé de C2 igual à potência ativa do rotor. - V cc REF Atrao P r P g Figura 5 Controle da tenão 3. MODELO LINEARIZADO PI V cc. V cc A referência [7] apreenta um modelo linearizado de um itema de potência completo, incluindo máquina íncrona, reguladore, itema de E FQ Variávei de etado da máquina: [ vd ) iq ] + ωvq + ω vq ω Eq v& d = (9) [ vq + ( X ) id ] ωvd ω vd + ω Ed v& q = = P e 2H (2) & (2) & (22) = ω Sitema de excitação: g& = V t (23) g& 2 = i d (24) g& 3 = (25) g& 4 = i q (26) Variávei algébrica da máquina: v' = R i i + v (27) d d q d v q = R iq id + vq ' (28) (29) = ( Vd Vd + Vq Vq )/ Pe = Vd Id + Id Vd + Vq Iq + Iq Vq (3) Sitema de excitação: id = g TA + KA (3) Ed = g2 TE + KE id (32) iq = g3 Te + µ u (33) Eq = g4 Tq + Kq2 iq (34)

4 778 Uando-e toda a equaçõe diferenciai e algébrica linearizada tem-e o modelo na eguinte forma: & X J = J3 J 2 X J4 Z (35) em que X é o vetor de etado e Z é o vetor da variávei algébrica, e J J3 J 2 = J J4 é a Matriz Jacobiano. O ímbolo ignifica uma variação incremental a partir do regime permanente. A matriz de etado do modelo do Sitema de Potência pode er obtida pela eliminação do vetor de variávei algébrica Z na equação (35). & X = ( J J2J4 J3) X (36) X & = A X (37) Deta forma pode-e analiar a etabilidade dinâmica de Sitema de Potência atravé do poicionamento do autovalore da matriz de etado A. Quando neceário, a contribuição do etado no modo de ocilaçõe dinâmico pode er obervada atravé do fatore de participação. 4. SIMULAÇÕES Foram realizada imulaçõe onde e repreentou o Parque Eólico da SAELPA, Millenimum (CGE MIL), Vitória (CGE VIT) e Bioenergy (CGE BIO), conectado ao itema elétrico da SAELPA atravé do Regional de Muuré, pertencente ao Sitema CHESF-Lete. Para realizar a imulaçõe em regime permanente (Fluxo de Carga) utilizou-e o programa ANAREDE. A imulaçõe dinâmica foram realizada atravé do programa ESTABEOLICA, [8]. Foram coniderado o dado do itema nacional interligado, diponibilizado pelo ONS (Operador Nacional do Sitema) e a partir dele, interligou-e o itema SAELPA, motrado na Figura 6. A CGE Millenium (,2MW) é conectada no barramento Millenium, a CGE Vitória (4,25MW) em Mataraca 3,8kV, e a CGE Bioenergy (45MW) em Rio Tinto, uprida atravé do circuito Santa Rita Rio Tinto. Em relação a CGE Bioenergy, a conexão é realizada atravé de um circuito em Rio Tinto (RTT) Bioenergy de 43km e com doi tranformadore 69/3,8kV 3MVA que integra em 3,8kV dez parque da BIOENERGY (Albatroz, Atlântica, Camurim, Caravela, Coelho I, II, III e IV, Mataraca e Preidente), todo de 4,5MW. MRD 2,5Km 636CAA STR 36Km 636,4CAA DPG 336,4 7Km 9Km RTT 33Km 4/ CAA MAA,7Km 4/ CAA MIL /2,5MVA CGE MIL,2MW 5MVA 6Km 4/ CAA CGE VIT 4,25MW 43Km 636CCA 2x3MVA Figura 6 Regional Muuré em 69 kv com a centrai eólica conectada. CGE BIO 45MW 4. Simulação em regime permanente Operando no centro de carga, a CGE repreentam geraçõe ditribuída que podem modificar enivelmente a regulação de tenão do regional. Na carga peada a injeção de potência ativa no centro de carga reduz enivelmente o carregamento da linha contribuindo para a elevação do perfil de tenão do itema na área afetada. Na condição de carga leve ocorre a inverão no entido do fluxo de potência ativa, normalmente, em a CGE, no entido da Rede Báica para o centro de carga. Tai alteraçõe no carregamento da linha devido a operação da CGE no regionai modificam ubtancialmente o efeito indutivo da linha com reflexo importante no perfil de tenão do itema regional de ditribuição ou memo até, em certo cao, da Rede Báica. Como a CGE oferecem diponibilidade de potência reativa (ou faixa operacional de fator de

5 779 potência), é oportuno e neceário fazer uo dete recuro para compenar o debalanço de compenação reativa cauado pela variaçõe de carregamento da linha. Aim endo, um do ponto da preente análie é levantar a faixa de variação da potência reativa da CGE de forma que o critério de regulação de tenão ejam atendido. Eta análie foi realizada coniderando o depacho pleno de potência ativa da CGE. A condiçõe operativa do itema em carga leve e peada com o fatore de potência da CGE Millenium, Vitória e Bioenergy ajutado em,99 indutivo foram a melhore obtida, ainda com baixo nívei de tenão na CGE Bioenergy em carga peada, em banco de capacitor. Aim, coniderou-e a operação de um banco de capacitor de 2,4Mvar no barramento 3,8kV da CGE Bioenergy. Ete banco de capacitor amplia a faixa operativa da CGE Bioenergy em termo de potência reativa. No cao de rejeição de geração, o banco de capacitor de 2,4 Mvar é também removido. A rejeição imultânea da CGE tem a intenção de imular o deligamento automático da CGE em cao de ditúrbio na rede que forcem o deligamento do aerogeradore decorrente de, por exemplo, excurõe tranitória elevada de freqüência e/ou tenão. 4.2 Simulação em regime dinâmico 4.2. Simulação de um curto-circuito trifáico para a terra A primeira imulação motrada é a de um curto trifáico franco para a terra, na barra de Rio Tinto (RTT), com duração de 5 m. Na Figura 7 é motrada a curva da tenão terminal do gerador de Millenium, etando o parque eólico equipado com o SCIG. Pode-e ver um afundamento de tenão exagerado apó a ocorrência do evento em retabelecimento do nívei originai. Tenão terminal da máquina em p.u Tempo em egundo Figura 7 Tenão terminal para o SCIG. Na Figura 8 é motrado o torque elétrico correpondente. Torque elétrico em p.u Tempo em egundo Figura 8 Torque elétrico para o SCIG. Na Figura 9 é motrada a tenão terminal do gerador de Millenium, etando o parque eólico equipado com o DFIG. O DFIG oferece a poibilidade de controle de tenão, permitindo o retabelecimento de ua tenão terminal. Dentro de ua capacidade, ete tipo de gerador pode permaner conectado ao itema durante e apó ditúrbio. Na Figura é motrado o torque elétrico correpondente..3.2 Tenão terminal da máquina em p.u Tempo em egundo Figura 9 Tenão terminal para o DFIG.

6 78 Torque elétrico em p.u Tempo em egundo Figura Torque elétrico para o DFIG. Ete reultado pode er jutificado atravé da avaliação do poicionamento do autovalore da matriz de etado A. Para o itema em etudo obteve-e o eguinte pare de autovalore dominante motrado na Tabela abaixo: Tabela Autovalore dominante do itema. Eólica com SCIG i i Eólica com DFIG i i Como pode er vito, a parte real do autovalore dominante para o itema equipado com SCIG, etão bem mai próxima do eixo imaginário, o que acarreta uma maior tendência à intabilidade. A demai centrai eólica, CGE VIT e CGE BIO, apreentaram reultado imilare. 5. CONCLUSÕES Ete trabalho apreentou uma metodologia deenvolvida para a análie de etabilidade dinâmica de itema de potência contendo geradore eólico. Foram acoplado ao modelo linearizado de itema de potência o modelo de unidade de geração eólica. Doi tipo de geradore foram coniderado: SCIG e DFIG. Atravé do reultado obtido para a imulação de falta no itema, pode-e obervar que o DFIG tem a capacidade de manter a tenão nominal em eu terminai devido à poibilidade de controle de reativo. Atravé da análie realizada em regime permanente, verificou-e a poibilidade de utilização da potência reativa da eólica para a melhoria do perfil de tenão do itema. Ito ó poderá er efetivado com a adoção de geradore de indução do tipo DFIG. Foi poível, atravé da análie do poicionamento do autovalore, alertar para a poibilidade de intabilidade no itema em etudo. A metodologia propota poderá er etendida para outra ituaçõe de etudo dinâmico na predição de intabilidade ante memo de e proceder a imulaçõe. REFERÊNCIAS [] W. S. Mota e L. S. Barro, Dynamic Simulation of Wind Generator Connected to Ditribution Sytem, CIRED - 8th International Conference on Electricity Ditribution, Turin, 6-9 June 25. [2] P. Kundur, 994, "Power Sytem Stability and Control". Book, Mc.Graw Hill; [3] W. S. Mota, L. S. Barro, F. M. P. Pamplona, A. N. Epaminonda, E. R. Braga Filho, A. M. Formiga e A. A. Santo, Simulação Dinâmica de Unidade de Geração Eólica Ligada a um Sitema de Potência, XV CBA - Congreo Braileiro de Automática, Gramado RS, Setembro de 24. [4] J. A. Peça Lope and R. Almeida, Decrição de Modelo Matemático de Máquina de Indução Convencional e Duplamente Alimentada e Etratégia de Controlo para Etudo Dinâmico e de Etabilidade Tranitória, Trabalho de Conultoria para o ONS Brail, INESC PORTO, 24; [5] N. Jenkin, L. Holdworth and X. Wu, 22, Dynamic and Steady-State Modelling of the Double-Fed Induction Machine (DFIM) for Wind Turbine Application. Internal MCEE UMIST; [6] H. Akagi, Y. Kanazawa and N. Akira, 984, Intantaneou Reactive Power Compenator Compriing Switching Device without Energy Storage Component, IEEE Tranaction on Indutry Application, Vol. A-2, No. 3. May/June; [7] F. L. Alvarado, C. L. Demarco, W. S. Mota, J. Meng, Stability Analyi of Interconnected Power Sytem Coupled With Market Dynamic, IEEE Tranaction on Power Sytem, USA, v. 6, n. 4, p , 2. [8] W. S. Mota, Programa de Etabilidade Tranitória - ESTABEOLICA - UFCG/CELPE, Brail, 23.