VI SBQEE. 21 a 24 de agosto de 2005 Belém Pará Brasil CONCEITOS E CONSIDERAÇÕES SOBRE O IMPACTO DA GERAÇÃO EÓLICA NA REDE BÁSICA FLAVIA FERREIRA

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1 VI SBQEE 21 a 24 de agosto de 2005 Belém Pará Brasil Código: BEL Tópico: Qualidade da Energia em Sistemas com Geração Distribuída CONCEITOS E CONSIDERAÇÕES SOBRE O IMPACTO DA GERAÇÃO EÓLICA NA REDE BÁSICA FABIO C. MEDEIROS DALTON O. C. BRASIL FLAVIA FERREIRA PEDRO A. C. ROSAS PAULO RIBEIRO ONS - RECIFE UFPE CALVIN COLLEGE RESUMO Este artigo aborda sob o ponto de vista da rede, o impacto da geração de energia dispersa, particularmente relacionada com os aerogeradores. Neste trabalho são avaliadas os principais impactos das centrais eólicas no sistema elétrico e definido um conjunto de termos técnicos e formas de cálculo dos mesmos. As diferentes interações entre a rede elétrica e as centrais eólicas são classificadas pela tecnologia das máquinas eólicas e sugestões de estudos são apresentados. PALAVRAS CHAVES Geração dispersa, aerogeradores, qualidade de energia, centrais eólicas. 1.0 INTRODUÇÃO A indiscutível necessidade de responder ao desafio Mundial de Incrementar o uso das energias limpas associada à necessidade de diversificar a matriz energética brasileira, levou o governo brasileiro através do Programa de Incentivo às Fontes Alternativas de Energia Elétrica Proinfa a contratar energia proveniente de instalações Eólicas, Biomassa e PCHs totalizando 3300 MW. As centrais Eólicas correspondem a 1422 MW, distribuídas pelas Regiões Nordeste (805 MW), Sul (454 MW) e Sudeste (163 MW). A distribuição espacial e o grande número de centrais geradoras eólicas, atendendo as características do potencial eólico brasileiro, transcende o conceito tradicional de geração distribuída, que poderia levar a avaliação dos fenômenos de qualidade como uma carga negativa a qual utiliza o sistema de distribuição para atender a carga local e eventualmente escoar o excesso da produção. Considerando as características elétricas e operacionais das tecnologias eólicas dominantes e disponíveis comercialmente, aliada aos requisitos de desempenho e qualidade de energia da rede elétrica [5] se torna necessária uma avaliação precisa dos conceitos e definições técnicas de caracterização do impacto das centrais eólicas sob a ótica tanto da qualidade de energia quanto de estabilidade do sistema elétrico. Neste artigo, além de se apresentar os principais conceitos de qualidade de energia aplicáveis aos aerogeradores, eles são classificados com relação à sua tecnologia e adicionalmente são apresentados os principais problemas de estabilidade também relacionados com as tecnologias eólicas. As centrais eólicas não se enquadram como grandes centrais de produção concentrada nem tampouco um caso clássico de geração distribuída no caso Brasileiro. 2.0 CLASSIFICAÇÃO DE GERAÇÃO EÓLICA NO BRASIL Geração de energia elétrica a partir de centrais eólicas tradicionalmente tem sido referenciada[1] como uma fonte de geração distribuída. Para o Brasil, entretanto, esse conceito pode não ser aplicável. Não existe uma definição consensual para geração distribuída, mas, de acordo com [2], todos concordam com: ONS - Rua 15 de Março 50 Anexo II Sala A-205 Torrões Recife - PE Brasil CEP e- mail: fmedeiros@ons.org.br Telefone: (81)

2 830 Reduzida potência instalada, em geral igual ou inferior à 30MW [5]; Central Faixa BR NE SUL SE Instalada próxima a centros de cargas; > ou = 10 MW Atende ao mercado local reduzindo perdas no sistema de distribuição; Eólica > ou = 30 MW Conexão em níveis de tensão de distribuição, i.e. média tensão. As centrais eólicas contratadas pelo Programa de Incentivo a Fontes Alternativas de energia PROINFA para o sistema elétrico brasileiro têm como principais características: Grande potência instalada para alguns pontos do sistema elétrico; Instaladas em regiões de baixa densidade de carga; Objetivo principal para a produção independente de energia elétrica, suplantando o mercado local em muitas situações; Ligadas ao sistema de transmissão ou distribuição através de longas linhas elétricas; Fazendo uso das linhas de distribuição e em alguns locais invertendo fluxo em linhas de transmissão. Nessas situações as perdas podem ser até superiores à situações sem o ingresso dessas fontes. Encontra-se assim um paradoxo, as centrais eólicas são relativamente pequenas e dispersas comparadas com as grandes centrais hidráulicas e ao mesmo tempo suplantam as cargas locais. Adicionalmente não são despacháveis, porém possuem prioridade sobre as outras fontes para a programação de despacho do Operador Nacional do Sistema elétrico (ONS). Dessa maneira, neste artigo, as centrais eólicas são caracterizadas como geração dispersa quando comparadas com os grandes complexos hidroelétricos brasileiros. A TABELA I apresenta a distribuição das potências das centrais eólicas a serem instaladas no Sistema Elétrico Brasileiro. TABELA I. Distribuição das potências das centrais eólicas no Brasil [4]. > ou = 50 MW Conforme verificado na TABELA I, mais de 50 das centrais eólicas instaladas no Brasil terão potência igual ou superior a 50MW, mais precisamente onze projetos terão potência superior a 50MW. A maior central eólica a ser instalada terá potência de 135MW. O porte dessas centrais está fora do padrão de geração distribuída apontada anteriormente [1]. Ainda, a produção eólica terá de ser transmitida para centros de carga distantes. Isto pode acarretar na necessidade de ampliação no sistema de transmissão de 230 kv [5]. Como exemplo, existem recomendações de novas linhas de transmissão nas regiões Nordeste e Sul para atender a integração dessas centrais eólicas mostrando mais uma vez que esta produção não deverá ser tratada como uma geração distribuída clássica. 3.0 CARACTERÍSTICAS DO AEROGERADOR Cada aerogerador é composto de uma unidade de conversão eólico-mecânica, transmissão mecânica, gerador elétrico, sistema de controle, onde pode ou não estar incluído no mesmo o sistema de conversores de freqüência e ou controle de reativo, e, finalmente, um transformador elevador. O gerador elétrico pode ser de dois tipos fundamentais: gerador síncrono ou gerador de indução. Os geradores síncronos têm sido usados na configuração de multipólos, podendo ser do tipo com excitação externa ou do tipo imã permanente. O gerador de indução pode ser de dois tipos básicos, gaiola e bobinado, este último permite um controle de sua potência através de conversores eletrônicos (dupla alimentação). Os aerogeradores podem ser classificados quanto a diversos fatores, o primeiro refere-se a forma de regulação de potência. Outro modo, está relacionado a velocidade de rotação do conjunto rotor-gerador. Todos aerogeradores precisam de um sistema para limitar a potência extraída do vento a fim de proteger o seu gerador. O controle da potência extraída do vento pode ser realizado através do 83

3 831 controle de passo da pá do rotor também chamado de pitch ou através do fenômeno passivo de descolamento do vento da pá chamado de stall. Outra classificação dos aerogeradores reside na velocidade de rotação do conjunto rotor gerador. Hoje em dia é fato que os aerogeradores em velocidade variável podem ser mais eficientes. As novas tecnologias de aerogeradores com o uso de eletrônica de potência permitem que os mesmos operem em velocidade variável diferente das máquinas mais antigas nas quais a faixa de variação de velocidade era extremamente reduzida. Pode-se ainda classificar os aerogeradores pela existência ou não de um multiplicador de velocidade no sistema de transmissão mecânica. O uso do multiplicador está condicionado ao gerador, ou melhor, do número de pólos existente no gerador, uma vez que o rotor aerodinâmico precisa operar em velocidades baixas, enquanto o gerador tem sua velocidade determinada pela freqüência de sua alimentação. Finalmente, de uma maneira geral a classificação de um aerogerador pode se dar de diversas formas. A forma mais relevante nos estudos de integração à rede está relacionada com o uso ou não de conversores eletrônicos de freqüência. Esse componente provoca um desacoplamento eletro-mecânico do aerogerador com a rede. Em síntese, o aspecto mais relevante para o impacto da operação das centrais eólicas na rede elétrica reside no aspecto da conexão elétrica de suas máquinas. As máquinas diretamente conectadas à rede têm características de uma conexão rígida, ou seja, os efeitos nas máquinas eólicas são passadas diretamente para a rede elétrica e vice versa. As máquinas com conversores eletrônicos podem ser de dois tipos: com conversores em série onde toda potência passa através dos conversores e a tecnologia que usa conversores em paralelo (dupla alimentação) onde uma pequena parcela da potência passa através dos conversores. Este último tipo de tecnologia é usada com geradores assíncronos bobinados. Devido ao desacoplamento eletromecânico, nas tecnologias que usam conversores em série, os efeitos causados pelo vento podem ser suavizados na transferência de potência para a rede elétrica e, como também, os problemas na rede elétrica, por exemplo, provenientes de faltas podem ser filtradas pelos conversores. 4.0 QUALIDADE DE ENERGIA E AEROGERADORES A relação entre aerogeradores e os desvios nos padrões de qualidade de energia é um fenômeno difundido [3],[7],[8]. Pode-se classificar, a princípio, problemas relacionados com qualidade de tensão e emissão de componentes harmônicas. Pode-se também realizar a classificação quanto a característica temporal dos fenômenos: Lentas relacionadas com a operação em regime permanente e variações lentas de tensão em termos de minutos; Dinâmicas relacionados com a operação dos aerogeradores que podem ser do tipo: o o o Variação de tensão de curta duração; Flicker (cintilação). Harmônicas relacionada às máquinas eólicas com conversores eletrônicos de freqüência. Conforme apresentado em diversas publicações, os principais problemas de turbinas eólicas na qualidade de energia estão relacionadas com a tensão. A TABELA II apresenta uma relação entre os principais parâmetros de variação de tensão de curta duração e os aerogeradores. 5.0 FENÔMENOS ADICIONAIS RELACIONADOS A AEROGERADORES Hoje em dia, a operação de grandes centrais eólicas tem apresentado relações com a estabilidade do sistema elétrico. Devido a larga inserção de centrais eólicas ao sistema elétrico, os aerogeradores estão sendo requisitados a participar no controle de tensão e freqüência, assim como permanecerem em operação durante e após faltas no sistema elétrico [3]. A contribuição para a regulação de tensão e freqüência por parte das centrais eólicas tem sido amplamente discutido em diversos países. Esta capacidade, a princípio, só está disponível em máquinas de última geração que usam conversores eletrônicos mediante alterações no sistema de controle. Atualmente, em alguns paises [6] já é exigido que os aerogeradores sejam mantidos em operação durante e após faltas.

4 832 TABELA II. Denominação das variações de tensão de curtas durações [4] Denominação Duração da variação A suportabilidade dos aerogeradores perante o Amplitude da tensão (valor eficaz) em relação à tensão nominal Causados por aerogeradores Interrupção momentânea de tensão 3 segundos < 0,1 pu Não Afundamento momentâneo de tensão 1 ciclo e 3 segundos 0,1 e < 0,9 pu Sim Elevação momentânea de tensão 1 ciclo e 3 segundos > 1,1 pu Sim Interrupção temporária de tensão > 3 segundos e 1minuto < 0,1 pu Não Afundamento temporário de tensão > 3 segundos e 1 minuto 0,1 e < 0,9 pu Sim Elevação temporária de tensão > 3 segundos e 1 minuto > 1,1 pu Sim De uma maneira geral, os operadores de sistemas elétricos europeus estão solicitando que as turbinas eólicas mantenham a operação quando submetidas a perfis de tensão de similares ao apresentado na Figura 1. Tensão (pu) 1 0,9 0,85 0,2 Duração da falta 0 0,5 1 5 Tempo (s) Figura 1. Curva de suportabilidade para aerogeradores [5]. perfil de tensão apresentado na Figura anterior é também conhecido como Ride Through Fault Capability, desde que o defeito seja eliminado em num determinado tempo e se verifique uma recuperação da tensão no ponto de interligação com a rede. Adicionalmente, no caso dos aerogeradores também envolve a garantia de alimentação de servomotores para o controle do ângulo de pitch das pás da turbina e dos sistemas de controle restantes [3] para manter a operação estável do aerogerador. A TABELA III relaciona os principais impactos na qualidade de energia elétrica em conseqüência da operação dos aerogeradores em função de suas tecnologias. 6.0 ESTUDOS E ANÁLISES Os estudos de integração de centrais eólicas à rede elétrica demanda uma avaliação de seus impactos na qualidade de energia elétrica. Os TABELA III. Relacionamento do impacto de tecnologias de aerogeradores nos parâmetros de qualidade de energia e fenômenos adicionais [4] Máquina de Indução Tecnologia Máquina de Indução duplamente alimentada Máquina Síncrona com X diretamente com conversores de conversores de freqüência Impactos na rede acoplada à rede freqüência Distorção Harmônica Pouco relevante Relevante Muito relevante Flutuação de tensão (Flicker) Muito relevante Relevante Pouco Relevante Variação de tensão de curta duração * Muito relevante Relevante Relevante Regulação de tensão em regime permanente Compensação de desequilíbrios de tensão Suportabilidade Durante Faltas Controle de Potência Ativa (freqüência) * Incluí-se aí: Afundamentos, Elevações e Interrupções Momentânea e Temporárias de tensão.

5 833 estudos são efetuados através do calculo de parâmetros de acordo com a IEC [7] e comparados com os limites estabelecidos nos procedimentos de rede em [5]. Métodos para se calcular os parâmetros de qualidade de energia são amplamente difundidos, por exemplo, [8] e [9] apresentam formulas e métodos de avaliação dos parâmetros de conexão de centrais eólicas. Os principais aspectos atualmente relacionados são: flicker (cintilação) em quatro condições: operação continua, na partida em vento suave, na partida em vento nominal e na pior condição de comutação de geradores. Variação instantânea de tensão nas condições: de partida em vento suave, de partida em vento nominal e de pior condição de comutação de geradores. emissão de componentes harmônicas (correntes). A partir destes dados é possível calcular sobre correntes instantâneas (0,2s), e máximas correntes em regime permanente (1 minuto). O flicker proveniente das turbinas eólicas pode ser estimado através de coeficientes normalizados, medidos a partir de testes de certificação dos aerogeradores para qualidade de energia. De modo similar, os valores de variação de tensão de curta duração também podem ser estimados. Finalmente, para estimar o impacto das correntes harmônicas, nos testes de certificação são registradas até a 50ª componente e, desta maneira, através de simulações específicas é possível indicar as tensões harmônicas e avaliar se as mesmas estão dentro dos limites estabelecidos em [5]. Para avaliação da estabilidade do sistema elétrico com as centrais eólicas sob diferentes condições, tanto operacionais como durante faltas, é necessário o uso de programas de simulação computacional. Os programas de simulação computacionais para esses estudos devem levar em consideração diversos aspectos. Primeiro, uma correta representação dos equipamentos elétricos e dos aerogeradores. Para esses estudos, entretanto, não se torna necessário simular os ventos. Para máquinas com terminais conectadas diretamente ao sistema elétrico (assíncronas de rotor em gaiola ou bobinados) mesmo que possuam conversores eletrônicos de potência, como máquinas de dupla alimentação, é importante representar a conexão mecânica do rotor aerodinâmico ao gerador elétrico. Para máquinas com conversores eletrônicos totais, onde a parte mecânica do aerogerador é praticamente desacoplada do sistema elétrico, a representação da transmissão mecânica não demanda tanta precisão, porém o comportamento dos conversores eletrônicos terá uma função muito importante. Nas simulações dinâmicas são observadas se existem superações de equipamentos assim como se a estabilidade do sistema elétrico estará em perigo durante faltas. A investigação da suportabilidade dos aerogeradores durante faltas se torna uma característica importante tanto para o operador do sistema elétrico como para o proprietário das centrais eólicas. Este último, necessita avaliar o impacto das faltas na vida útil das máquinas. O operador preocupa-se com a degradação da estabilidade do sistema elétrico que pode comprometer a operação segura da rede. Além dos estudos indicados anteriormente, atualmente com a inclusão de sistemas de religadores automáticos nos sistemas de transmissão elétrica, será relevante observar como o sistema elétrico e os aerogeradores se comportarão durante a operação de sucessivos religamentos. 7.0 CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES Neste artigo foi apresentado que o conceito tradicional de geração distribuída provavelmente não deva ser aplicado às conexões de grandes centrais eólicas no Brasil. As centrais eólicas brasileiras apresentam características particulares de: grande potência, elevada distância aos centros de carga e, uso intensivo do sistema de transmissão. Para a conexão das centrais eólicas além dos estudos tradicionais de impactos na qualidade de energia, neste artigo se enfatiza também estudos do impacto na estabilidade do sistema elétrico durante a ocorrência de faltas. No ONS, atualmente, encontra-se em revisão os Procedimentos de Rede, que inclui um item destinado a centrais eólicas. Neste item, são requisitadas que as centrais eólicas permaneçam operando mesmo durante a ocorrência de faltas trifásicas no sistema elétrico. Desta maneira, o operador da rede procura preservar a estabilidade da rede. Durante este fenômeno, os

6 834 aerogeradores terão de operar sujeitas a perfis de tensão conforme apresentado na Figura 1. Uma maneira de contribuir para o controle de tensão reside na determinação de faixas de operação do fator de potência que deverão ser atendidos pelas centrais que se interligarão a rede básica. Os estudos de acesso das centrais eólicas devem abranger as avaliações de qualidade apresentadas neste artigo, além de análise dinâmicas realizadas com simulações computacionais da operação dos aerogeradores durante faltas. Esses estudos já são fundamentais para integração eólica no cenário criado a partir da consolidação do PROINFA com a instalação de 1422MW de energia eólica. 8.0 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] Jekins, N., et all, Embedded Generation, The Institute of Electrical Engineers, 2000, Inglaterra. [2] Ferreira, Flavia M. C., et all, GERAÇÃO DISTRIBUÍDA E IMPACTO NA QUALIDADE DE ENERGIA, artigo submetido ao VI SBQEE, Brasil, 2005 [3] Lopes, J. A P Marques, P.F., Procedimentos de rede para Aceitação de Produção Eólica e Especificações de Ride Through Default, Porto, Portugal, [4] Apresentação interna ONS, Integração de Centrais Eólicas as redes elétricas, Rio, Brasília [5] Procedimento de Rede Sub modulo 2.7, Revisão 1. Operador Nacional do Sistema, Brasília, [6] Ergänzende Netzanschlussregeln für Windenergieanlagen: Zusätzliche technische und organi-satorische Regeln für den Netzanschluss von Windenergieanlagen innerhalb der E.ON NetzGmbH. fuer_wea_01_12_2001.pdf (Norma de conexão de centrais eólicas da E-On). [7] IEC CDV Ed. 1: Wind turbine generator systems Part 21: Measurement and assessment of power quality characteristics of grid connected wind turbines, International Electrotechnical Commission, IEC, [8] Lopes, Peças, et all, Elaboração de Regulamentação técnica para Ligação às redes elétricas de produção independente de energia electrica, Trabalho de consultoria elaborado para o ONS pelo INESC, Porto, abril [9] Rosas Pedro, A.C., Estanqueiro, Ana. I. L., Guia de Projeto Elétrico de Centrais Eólicas Vol. I: Projeto Elétrico e Impacto nas Redes Elétricas, Centro Brasileiro de Energia Eólica, Recife, 2003.