7º CONGRESSO BRASILEIRO DE PESQUISA E DESENVOLVIMENTO EM PETRÓLEO E GÁS

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1 7º CONGRESSO BRASILEIRO DE PESQUISA E DESENVOLVIMENTO EM PETRÓLEO E GÁS TÍTULO DO TRABALHO: Projeto Básico de um Parque Eólico e Estudos de Conexão AUTORES: INSTITUIÇÃO: Karina Lino Miranda de Oliveira Débora Rosna Ribeiro Penido Araujo Leandro Ramos de Araujo Universidade Federal de Juiz de Fora Este Trabalho foi preparado para apresentação no 7 Congresso Brasileiro de Pesquisa e Desenvolvimento em Petróleo e Gás- 7 PDPETRO, realizado pela a Associação Brasileira de P&D em Petróleo e Gás-ABPG, no período de 27 a 30 de outubro de 2013, em Aracajú-SE. Esse Trabalho foi selecionado pelo Comitê Científico do evento para apresentação, seguindo as informações contidas no documento submetido pelo(s) autor(es). O conteúdo do Trabalho, como apresentado, não foi revisado pela ABPG. Os organizadores não irão traduzir ou corrigir os textos recebidos. O material conforme, apresentado, não necessariamente reflete as opiniões da Associação Brasileira de P&D em Petróleo e Gás. O(s) autor(es) tem conhecimento e aprovação de que este Trabalho seja publicado nos Anais do 7 PDPETRO.

2 Abstract Projeto Básico de um Parque Eólico e Estudos de Conexão The wind energy is a promising source, especially for being abundant, renewable, clean and not emitting greenhouse gases. Brazil has a huge unexplored wind potential, and coupled with this fact, also point out the progressive decline in implementation costs of generation units and the consequent fall in the price of kwh in recent energy bids. These factors have boosted ever more the development of studies on the subject. In this paper we present some of the main aspects to be considered in studies and projects of wind farms, such as characteristics of potentially viable places for wind generation, criteria for allocation of wind turbines, essential equipments to the operation of the wind farm, internal studies of power flow and short circuit, a basic design of the substation to which generating units should be connected and relevant points of connection of the wind farm to the utility grid or interconnected system. Introdução O Brasil destaca-se no cenário mundial por possuir um enorme potencial eólico ainda não explorado, como pode ser visualizado na Figura 1 [1,2]. Esta característica, acrescida da maior dificuldade de se implantar grandes hidrelétricas e a necessidade de diversificação da matriz energética nacional foi preponderante para que incentivos fiscais e do governo alavancassem o desenvolvimento de tecnologias em novas fontes renováveis, tais como a eólica. No que se refere ao Brasil, o grande marco foi a criação do PROINFA [3] (Programa de Incentivos às Fontes Alternativas de Energia) em 2012 onde foram previstas as instalações de 144 projetos, totalizando 3,3 GW de capacidade instalada. Figura 1 - Mapa do Potencial Eólico do Brasil [2]. A geração de energia através dos ventos tem ganhado destaque no cenário mundial principalmente por não ser agressiva ao meio ambiente tal como ocorre com as termelétricas e até mesmo as grandes hidrelétricas com reservatórios. Somado a esses fatores destaca-se ainda a redução dos custos para implantação das unidades geradoras que tem contribuído para a disseminação de novos empreendimentos e para a maior competitividade (preço do kwh mais compatível) dessa fonte nos leilões de energia de reserva. O empreendimento estudado neste trabalho é composto por um parque eólico que visa produzir energia através da instalação de 60 aerogeradores de 2,3 MW de potência nominal, resultando em uma potência instalada de 138 MW. É importante ressaltar que enquanto o custo da instalação de uma usina eólica é determinado pela capacidade instalada, a receita de geração líquida deve levar em

3 consideração o fator de capacidade do parque eólico [4]. Existem outros fatores que também devem ser considerados e que eventualmente podem inviabilizar o empreendimento eólico, como por exemplo, a necessidade de construção ou de reforço da infraestrutura de transmissão de energia elétrica, ou mesmo a construção de obras civis na região, como estradas para o transporte dos equipamentos. Portanto, deve-se desenvolver o projeto do parque eólico visando não somente a análise técnica, mas também a redução máxima possível dos custos [5,6]. A seguir serão destacados alguns conceitos básicos sobre energia eólica cujo conhecimento é importante para a análise e entendimento do projeto em si: o Potencial Eólico Um parque eólico deve possuir algumas características para ser considerado tecnicamente viável à geração através dos ventos, sendo elas: velocidade média de vento alta, pouca variação nas direções do vento e pouca turbulência durante todo o ano. A análise dos dados de vento em diversos locais do Brasil confirmou que há diversas localidades tecnicamente viáveis, possuindo elevado fator de forma de Weibull (k) (Figura 2). Para a avaliação de um empreendimento eólico deve-se analisar seu histograma, ou seja, a distribuição de velocidade de vento x frequência. Figura 2 - Exemplo de Distribuição de Weibull [5] Uma distribuição de Weibull é definida utilizando-se dois parâmetros: o fator de forma (k) e a velocidade média do vento [7]. Analisando tal distribuição percebe-se que quanto maior a velocidade média e maior o fator de forma da distribuição mais rentável será o campo. Além disso, a direção principal do vento é um importante fator que deve ser avaliado, um vento disperso pode invalidar o potencial técnico de um campo. o Disposição dos Aerogeradores A disposição física dos geradores eólicos é geralmente feita em fileiras, como pode ser observado no exemplo apresentado na Figura 3a e 3b.

4 (a) (b) SUBESTAÇÃO Figura 3 (a) Disposição Típica dos Aerogeradores em um Parque (b) Disposição Adotada no Projeto em Questão O alinhamento das fileiras está perpendicular à direção preferencial do vento. Usualmente os geradores são espaçados com distância maior que duas vezes o diâmetro do rotor, entre equipamentos na mesma fileira, e sete ou mais diâmetros entre fileiras. Isto é realizado para reduzir a perda de eficiência da geração causada, entre outros motivos, pelos efeitos Sombreamento da Torre e Efeito Esteira [6] e também visando preservar a integridade física dos aerogeradores. o Composição dos Aerogeradores Um aerogerador é composto basicamente de dois equipamentos: o conjunto turbina eólica e o gerador elétrico. Os aerogeradores modernos contam com diversos mecanismos de controle que se destinam à orientação do rotor, controle de velocidade, controle de carga entre outros. Se considerarmos a potência gerada pela turbina, temos dois tipos principais: Controle Stall e Pitch [5]. O primeiro foi durante muito tempo o mais utilizado, no entanto, por apresentar maior flexibilidade na operação e melhor desempenho, atualmente o controle através da variação do ângulo de passo das pás tem sido mais utilizado. A configuração mais indicada para ser utilizada em uma central eólica moderna, econômica e de grande porte é a do Gerador Assíncrono Duplamente Alimentado (DFIG), Figura 4. Esta configuração é relativamente barata: possui uma dimensão física menor e o conversor é especificado para uma potência reduzida (aproximadamente 1/3 da potência nominal da máquina). Além disso possui outras vantagens, tais como: ampla faixa de regulação de velocidade, mínima emissão de componentes harmônicos e robustez. Como desvantagens desta configuração aponta-se a necessidade de utilizar um multiplicador de velocidade, o que dificulta e aumenta a manutenção, e perdas mecânicas [5]. Figura 4 Ilustração de um Gerador Assíncrono Duplamente Alimentado [5] As turbinas eólicas são projetadas para gerar máxima potência em uma determinada velocidade do vento (velocidade nominal), geralmente em torno de 12 a 15 m/s. Na Figura 5 é apresentada uma curva de potência típica de uma turbina eólica.

5 Figura 5 - Curva de Potência de um Aerogerador Típico [7] É importante destacar que correlacionando os dados apresentados na Figura 2 com os da Figura 5 para um determinado parque eólico é possível estimar a potência média gerada em relação à potência total instalada (ou seja, o fator de capacidade). Considera-se excelente um fator de capacidade acima de 35%. Metodologia Para a elaboração do projeto básico elétrico da usina eólica estudada neste trabalho foram consideradas as seguintes premissas: - Utilização de 60 aerogeradores de indução duplamente alimentados com potência de 2,3 MW e tensão nominal de 690 V. - As turbinas estão dispostas em uma área de aproximadamente 15 km². - A conexão da usina eólica com a rede será feita em uma subestação de 230 kv. - O cabeamento será subterrâneo. - Os cabos que foram analisados são os seguintes (apresentados na forma: seção, ampacidade): 500 mm 2, 553 A; 400 mm²,493 A; 300 mm², 436 A; 240 mm 2, 389 A; 185 mm 2, 337 A; 150 mm², 299 A; 120 mm 2, 267 A; 95 mm², 236 A; 70 mm², 198 A; 50 mm², 163 A; 35 mm², 138 A; 25 mm², 116 A; 16 mm², 91 A. Os aerogeradores mais modernos podem produzir uma potência considerável, tornando-se necessário realizar um estudo para definir a tensão ótima da rede de interconexão dos aerogeradores (objetivo principal deste trabalho) e, com isto, minimizar o custo do cabeamento elétrico e das perdas ôhmicas. Na maioria dos projetos eólicos, os aerogeradores são distribuídos por uma extensa área buscando maximizar o rendimento do parque eólico. Devido à considerável quantidade de cabos necessários em um projeto de uma usina eólica deve ser dada especial atenção à escolha dos mesmos, já que esta costuma impactar profundamente o custo total da parte elétrica do projeto. Objetivando otimizar o sistema de distribuição estudou-se alternativas em três níveis de tensão: 13,8 kv, 24 kv e 34,5 kv. Os resultados obtidos em cada um desses níveis de tensão serão apresentados no tópico intitulado Resultados e Discussão. Os barramentos da subestação ilustrada na Figura 3b foram definidos como principal e transferência, como pode ser visualizado na Figura 6, pois apresenta considerável possibilidade de manobras com um custo reduzido, sendo ideal para parques eólicos. Como pode ser observada na Figura 3b, a topologia de distribuição inicialmente adotada foi radial. Cabe destacar que a disposição dos aerogeradores admitida não é a ideal (melhorias ainda poderiam ser efetuadas) e foi escolhida meramente para se iniciar o dimensionamento dos condutores. Há softwares que foram desenvolvidos justamente para fornecer o posicionamento ideal para tais máquinas de acordo com condições ambientais (vento, umidade, etc.) e de relevo.

6 Para integrar a usina eólica a rede básica a tensão é elevada para 230 kv através de dois transformadores de potência (Figura 6). Os transformadores foram projetados de modo a possuírem capacidade de suportar toda a carga nominal do parque eólico, ou seja, caso haja algum defeito neste equipamento, ou simplesmente ele necessite ser retirado para manutenção, o outro transformador deverá permitir o despacho máximo da usina Chave By-Pass BARRA PRINCIPAL DISJUNTOR DE TRANSFERÊNCIA BARRA TRANSFERÊNCIA ALIMENTADOR 1 ALIMENTADOR 2 Figura 6 Subestação do Tipo Principal e Transferência do Projeto do Parque Eólico A conexão de qualquer sistema de geração de energia elétrica deve ser feita de modo que não comprometa fatores tais como: confiabilidade, qualidade da energia, operação segura e eficiência. A solicitação de acesso é um requerimento que, acompanhado de dados, estudos preliminares de acesso e informações sobre o empreendimento, deve ser apresentado pelo acessante ao ONS [8] ou à concessionária de transmissão ou à concessionária ou permissionária de distribuição, para que sejam definidas as condições de acesso visando à sua contratação. O parque eólico pode ser conectado à rede básica (sistema de transmissão) ou ao sistema de distribuição local. Os principais estudos que devem ser realizados para verificar se o parque eólico está apto a interligação com a rede são: - Curto-circuito Deve-se calcular a contribuição de corrente de curto-circuito da usina eólica projetada para o ponto de conexão com a concessionária (PCC) e verificar se a nova potência de curto-circuito não impacta na superação da capacidade dos equipamentos instalados no entorno da subestação de modo a ser necessária a substituição de equipamentos. - Fluxo de Potência Análises de contingências no entorno da usina eólica devem ser realizadas, considerando-se o critério n-1 atualmente vigente, a fim de se verificar a necessidade ou não de reforço na rede básica ou na rede da concessionária local. - Emissão de Flicker - O flicker ou cintilação é a impressão visual resultante das variações do fluxo luminoso nas lâmpadas elétricas causadas pelas flutuações da tensão de alimentação. A severidade de flicker é uma representação quantitativa do incômodo visual percebido pelas pessoas expostas a este, sendo a causa principal as variações de potência devido à intermitência do vento. Estudos de flicker também devem ser realizados.

7 - Desempenho Harmônico Deve-se fazer um estudo do desempenho harmônico da usina e fim de verificar as correntes harmônicas, tensões harmônicas e a distorção harmônica total. - Estabilidade Análises referentes ao exame do comportamento da tensão na área por ocasião de distúrbios devem ser realizadas. Para o estudo de estabilidade é necessário recorrer à simulação empregando modelos detalhados das máquinas selecionadas (parâmetros em regime transitório da máquina) e seus controles, válidos para condições operativas extremas. Resultados e Discussão Foi desenvolvido em Matlab um algoritmo que calcula a corrente em todos os condutores dos aerogeradores para um determinado nível de tensão e, após este cálculo, ele indica automaticamente a seção adequada dos condutores. A determinação da seção adequada considera os seguintes fatores: tipo do cabo, a quantidade de cabos por encaminhamento, ventilação e tipo de instalação. Após a determinação dos condutores um fluxo de potência foi executado e as perdas ôhmicas totais do sistema calculadas. Abaixo são apresentadas as alternativas de tensões testadas. - Alternativa 13,8 kv Na tensão de 13,8 kv verificou-se a circulação de elevadas correntes (cada aerogerador contribui com uma corrente de aproximadamente 103 A) e, consequentemente, a necessidade de utilização de cabos de seção muito grande, tornando inviável economicamente a implantação desta configuração. As perdas foram da ordem de 2362 kw. - Alternativa 24 kv Nesta alternativa, com tensão de distribuição em 24 kv, a corrente de cada gerador é de 59 A. As seções dos condutores possuem em média uma bitola de 240 mm² e as perdas obtidas em todo o circuito foram de aproximadamente 2299 kw. - Alternativa 34,5 kv Os preços dos equipamentos para este nível de tensão são ligeiramente maiores do que aqueles encontrados para o nível de tensão de 24 kv. Por outro lado sua utilização se justifica pelo fato do circuito ser percorrido por correntes bem menores (cada aerogerador contribui com uma corrente de aproximadamente 41 A) e, consequentemente, cabos mais baratos de seções que não ultrapassam 120 mm² e que introduzem uma maior praticidade em sua operação. Além do mais, este nível de tensão implica em uma redução das perdas que nesta topologia giram em torno de 2160 kw. A redução das perdas dessa alternativa quando comparada com a anterior pode implicar em uma economia considerável ao final do período de contratação da usina. Pode-se considerar como outra vantagem da utilização de cabos em 34,5 kv, a apresentação de menores quedas de tensão para uma mesma distância de cabos, o que pode possibilitar uma maior flexibilidade para atender a uma eventual redistribuição dos locais de instalação dos aerogeradores. Na Tabela 1 são apresentados os resultados relativos a perdas das alternativas estudadas para um horizonte de funcionamento de 30 anos. Tabela 1 - Análise Comparativa entre as três Alternativas de Tensão Alternativa Perdas Custo* Custo Perdas Horizonte (anos) (MW) (R$/MWh) (MR$) 13,8 kv 2, ,54 60,9 24,0 kv 2, ,54 60,2 34,5 kv 2, ,54 56,5 * Preço do Leilão de Energia de Reserva realizado em 2011.

8 Considerando apenas os critérios de perdas ôhmicas a tensão 34,5 kv é indicada para o projeto. Mas outros estudos devem ser realizados como a queda de tensão e curto-circuito, além de contabilizar também o preço dos equipamentos. Estes estudos estão sendo implementos na ferramenta Matlab. Conclusões Este trabalho foi desenvolvido visando abordar os principais aspectos a serem considerados para o estudo/desenvolvimento de projetos básicos de parques eólicos. Foram apresentados os conceitos fundamentais sobre energia eólica, o processo de definição da tensão de distribuição, critérios a serem respeitados para a alocação adequada das turbinas, os principais equipamentos presentes no parque eólico, questões relativas a fluxo de potência e curto-circuito, projeto básico da subestação bem como sobre os pontos relevantes da conexão da usina com a rede. Foi aplicada uma metodologia para definição da seção adequada dos condutores dos alimentadores da usina eólica e posterior cálculo das perdas ôhmicas totais visando fornecer uma informação a mais para a tomada de decisão da tensão de alimentação. Por fim, destaca-se a necessidade de se realizar juntamente com a análise técnica uma análise econômica. A associação desses dois estudos é que indicará qual topologia de parque eólico melhor atende as necessidades e aos requisitos pré-estabelecidos. Agradecimentos Agradecemos ao PRH-PB14 pela oportunidade de aprendizado. Agradecemos também ao pesquisador visitante do PRH-PB14 engenheiro Armando Bordignon pela ajuda no trabalho. Referências Bibliográficas [1] ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica, Atlas de Energia Elétrica do Brasil. 3 Edição, Brasília, [2] CRESESB, CEPEL, Atlas do Potencial Eólico Brasileiro. Brasília, [3] Informe à Imprensa Leilão de Energia de Reserva/2011. EPE Empresa de Pesquisa Energética. São Paulo, 18/08/2011. [4] DUTRA, R. Energia Eólica Princípios e Tecnologia. CRESESB (Centro de Referência para Energia Solar e Eólica Sérgio de Salvo Brito). [5] PAVINATTO, E. F. Ferramenta para Auxílio à Análise de Viabilidade Técnica da Conexão de Parques Eólicos à Rede Elétrica. Tese de Mestrado. Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ)- COPPE. Rio de Janeiro, RJ- Brasil, [6] LEITE, A. P. Modelagem de Fazendas Eólicas para Estudo de Confiabilidade. Tese de mestrado. Rio de Janeiro, RJ Brasil, Abril de [7] MALTA, C. S. Estudos de Séries Temporais de vento Utilizando Análises Estatísticas e Agrupamento de Dados. Tese de mestrado. Rio de janeiro, RJ Brasil, Fevereiro de [8] Requisitos Técnicos Mínimos Para Conexão de Centrais Eólicas na Rede Básica, Módulo 3, Submódulo 3.6, Tópico 8 Procedimentos de Rede. Disponível no site do Operador Nacional do Sistema (ONS):