Controle de Sistemas Interligados. Prof. Glauco Nery Taranto Departamento de Engenharia Elétrica POLI/UFRJ

Transcrição

1 Controle de Sistemas Interligados Prof. Glauco Nery Taranto Departamento de Engenharia Elétrica POLI/UFRJ

2 O Sistema Interligado Nacional (SIN) 2

3 A Estrutura de um SEE São constituídos essencialmente de: Sistemas CA trifásicos; Máquinas síncronas; Uma energia considerável é armazenada na forma de energia cinética dos rotores. Variadas fontes de energia; Transmissão a longas distâncias 3

4 A Estrutura de um SEE Geração Transmissão Subtransmissão Distribuição Fonte: Nabeel Kouka (google images) 4

5 Sistema de Transmissão 5

6 6

7 Matriz Elétrica Brasileira Anos de 2014 e 2024 (%) 7

8 Bacias Hidrográficas 8

9 Bacias Hidrográficas Brasileiras 9

10 Bacias Hidrográficas Brasileiras 40% Potencial hidrelétrico = 260 GW Potencial aproveitável = 180 GW 60% 10

11 Bacia Amazônica Rios de planície 11

12 Bacia Amazônica 12

13 Capacidade de Regulação dos Reservatórios No passado nossa capacidade de regulação já foi de 5 anos Hoje, a capacidade já é anual, ou seja, um ano com baixas afluências pode causar sérios problemas no ano seguinte O aumento da demanda devido ao crescimento econômico do país, conjugado com a escassez de novos reservatórios, faz essa capacidade de regulação diminuir. 13

14 Capacidade de Regulação dos Reservatórios No passado nossa capacidade de regulação já foi de 5 anos Hoje, a capacidade já é anual, ou seja, um ano com baixas afluências pode causar sérios problemas no ano seguinte O aumento da demanda devido ao crescimento econômico do país, conjugado com a escassez de novos reservatórios, faz essa capacidade de regulação diminuir. 14

15 Hidrelétricas a fio d água São usinas sem capacidade de armazenamento de água. 15

16 Hidrelétricas a fio d água (cont.) Em um país cuja base de geração hidroelétrica ainda está na casa dos 80% (dados de 2013), a construção dessas usinas exige que o operador do sistema tenha cada vez mais conhecimento da previsão de precipitações. 16

17 Turbinas Bulbo em Santo Antonio e Jirau

20 Hidrelétricas a fio d água (cont.) Fenômenos meteorológicos e climáticos: El niño La niña Oscilação Madden-Julian Vórtices ciclônicos Passam a ter um papel preponderante no planejamento da operação do sistema. 20

21 Componentes Básicos de uma Usina Hidrelétrica 21

22 A Usina de Itaipú (1/2) 22

23 A Usina de Itaipú (2/2) 23

24 Duas Grandezas Fundamentais?? Os sistemas de energia elétrica são operados de forma que quando o consumidor for ligar um aparelho em uma tomada ele não tenha dúvida que as grandezas: Frequência Tensão do sinal elétrico não estejam dentro dos valores nominais. 24

25 Frequência e Tensão Controle da frequência Balanço geração x carga (potência ativa) É um problema predominantemente de potência ativa Controle da tensão Balanço geração x rede x carga (potência reativa) É um problema predominantemente de potência reativa 25

26 Regulação de Velocidade Controle Carga-Frequência 26

27 Controle Carga-Frequência Filosofia baseada nas leis do movimento 2ª. Lei o somatório das forças num objeto é proporcional à sua massa multiplicada por sua aceleração A frequência do sistema é determinada pela velocidade dos geradores síncronos A velocidade dos geradores síncronos é determinada pelo balanço do torque mecânico de entrada com o torque elétrico de saída (reação da armadura) 27

28 Energia Cinética do Sistema A energia cinética do rotor de uma máquina de 100 MVA com H = 5s (constante de inércia) é dada por: W cinética = H S nominal = 500 MJ Quantos caminhões de 10 ton na velocidade de 100 km/h tem a mesma energia cinética? A energia cinética de 1 caminhão a 100 km/h é: W cinética = ,7 2 = 3,8 MJ Então são necessários 132 caminhões.

29 Regulador de Velocidade Controle Automático da Geração Xisto Vieria Filho 29

30 Pêndulo de Watt 30

31 Malhas de Controle nos Geradores 31

32 Curva Típica da Carga 32

33 Curva típica da carga em um dia de jogo do Brasil em Copas do Mundo Fonte: ONS 33

34 Eclipse Solar (20/03/2015) Houve uma perda rápida de 17 GW Uma reintegração ainda mais rápida de 25 GW Fonte: entso-e 34

35 Frequência 35

36 Controle Carga-Frequência Regulação primária (RV) Sem queda de frequência (regulador isócrono) Com queda de frequência (estatismo) Regulação secundária (CAG) Controle da frequência (flat frequency) Controle do intercâmbio (flat tie) Controle de ambos (TLB Tie-line bias) 36

37 Turbinas Hidráulicas Pelton Kaplan Francis 37

38 Turbina Pelton 38

39 Turbina Francis com Eixo Horizontal PCH de 5 MVA 39

40 Turbina Francis com Eixo Vertical 40

41 Unidade Geradora e Turbina Kaplan 41

42 42

43 Regulador Integrado de Tensão e de Velocidade 43

44 Turbina Pelton 44

45 Distribuidor da Turbina Kaplan 45

46 Acionador do Distribuidor de Itaipú 46

47 Turbina Bulbo 47

48 Regulador de Velocidade 48

49 Aproximação da variação da carga com a freqüência 49

50 Regulador Isócrono f K s P 50

51 Característica f x P f f0 0 Pg0 Pg 51

52 Regulador com Estatismo Permanente f K P s R P G P G 1 0 ( f f0) R 0 52

53 Característica f x P 53

54 Regulador com Estatismo 54

55 Repartição da carga entre duas unidade geradoras P 1 R 1 R 2 P d P d P 2 55

56 56 Repartição da carga entre duas unidade geradoras 1 1 ' 1 1 R f P P P 2 2 ' 2 2 R f P P P P d P P 2 1

57 O SIMULIGHT 2008 / 2 Curso EEE612 COE754 CSI -(Prof. Glauco Glauco Taranto)

58 O que é? Um software acadêmico/comercial desenvolvido inteiramente na COPPE/UFRJ Desenvolvimento iniciado há 15 anos por alunos e professores da UFRJ Financiado majoritariamente pela Light S.E.S.A Implementado com modelagem orientada a objetos na linguagem C++ Já utilizado em TCC, IC, dissertações de mestrado e teses de doutorado 58

59 Fator Motivador O boom de pedidos de acesso à rede de distribuição ocorridos em 2001 fruto do racionamento Necessidade de avalição do impacto da alta penetração da GD nos seguintes aspectos: Dinâmica/Estabilidade Proteção Controle 59

60 Premissas Foco: Desenvolver uma ferramenta computacional de simulação integrada ao banco de dados coorporativo da empresa. Características da Ferramenta Integração análise estática (fluxo de potência) e análise dinâmica (estabilidade transitória) Inovação simulação de múltiplas ilhas elétricas, representação monofásica/trifásica híbrida, modelagem de relés de proteção Visualização Interface gráfica amigável padrão Windows 60

61 Histórico de Financiamento Simulador para Análise das Dinâmicas de Curto e Longo Prazo em Redes de Subtransmissão e Distribuição com Geração Distribuída Desempenho Dinâmico da Geração Distribuída Frente a Perturbações no SIN e de Manobras na Rede de Distribuição Pesquisa e Implementação de Simulação Dinâmica Trifásica nas Redes de Distribuição com Geração Distribuída Modelagem dinâmica para avaliação do impacto de fontes alternativas no sistema de distribuição de energia (em andamento) Planejamento e Operação de Microrredes Formadas pelo Elevado Grau de Penetração da Geração Distribuída (GD): Análise Estática e Dinâmica 61

62 ... acabou se tornando um produto comercial. Fonte: Revista Saber da Light No

63 Clipping recente... Fonte: Revista Saber da Light No

64 Clipping recente... Fonte: Revista Saber da Light No

65 Baixe gratuitamente a versão acadêmica em: 65

66 Islanding Example (file: smec.fdx) 66

68 Electrical x Mechanical Powers 68

69 Electrical x Mechanical Powers 69

70 Frequency (zoom in) Frequência (Hz) Tempo (segundos) 70

71 Frequency (zoom in) Frequência (Hz) Frequência (Hz) Tempo Tempo (segundos) 71

72 Áreas de Controle Caso 2 áreas # 2 Pg2 # 1 Pg1 Área de Controle 1 Intercâmbio # 3 Pg3 Carga 1 Área de Controle 2 Pg4 # 4 Carga 2 72

73 Regulação Secundária Controle Automático da Geração (CAG) 73

74 CAG Controle da freqüência Balanço geração/carga Controle da intercâmbio # 2 Pg2 # 1 Pg1 Área de Controle 1 Intercâmbio # 3 Pg3 Carga 1 Área de Controle 2 Pg4 # 4 Carga 2 74

75 Perda de geração dentro da área de controle Freqüência Desvio de Intercâmbio 75

76 Perda de carga dentro da área de controle Freqüência Desvio de Intercâmbio 76

77 Regulação Secundária (CAG) f ref f cag f 1 R 1 1 s T G P mec 77

78 Possível Estrutura da Regulação Secundária f barra K I s f cag f ref K P 78

79 Representação da Regulação Primária e Secundária f 1 mec R 1 s T G 1 P K I s f cag K P 79

80 Característica f x P com regulação secundária 80

81 Característica Dinâmica da Turbina Hidráulica (fase não mínima) Turbina( s) 1 stw / 2 1 st w 81

82 Regulador com Estatismo Permanente e transitório f K s P + + R rp R t TT s T s 1 T 82

83 Estatismos Estatismo transitório deve ser elevado para que o sistema seja estável Estatismo de regime permanente deve ser pequeno para que o sistema não tenha grandes variações de freqüência 83

85 Regulação de Tensão 85

86 Diagrama esquemático de um gerador síncrono conectado a uma rede de transmissão para estudos de transitórios eletromecânicos Fonte: B. Stott, Proceedings of the IEEE, Máquina e suas malhas de controle Rede elétrica 86

87 Malhas de Controle nos Geradores 87

88 Regulador Integrado de Tensão e de Velocidade 88

89 Sistema de Excitação Prover corrente contínua para o enrolamento de campo Funções de controle e proteção através do ajuste da tensão aplicada ao enrolamento Controle de tensão terminal e geração reativa e aumento da estabilidade do sistema Funções de proteção para limites operativos 89

90 Sistema de Excitação estático com compoundagem Cortesia REPAR 90

91 Sistema de Excitação LIMITADORES E CIRCUITOS DE PROTEÇÃO TRANSDUTOR DE TENSÃO E COMPENSADOR DE CARGA V ref REGULADOR EXCITATRIZ GERADOR Sistema de Potência SINAL ADICIONAL ESTABILIZADOR (PSS) 91

92 Sistema de Excitação Brushless excitatriz piloto armadura campo N excitatriz CA armadura gerador CA campo armadura TC S campo : TP CA trifásica regulador CA referência CA 92

93 93

94 94

95 Smib system (Three-Phase Short- Circuit) 95

98 AVR block diagram Model RegTensao#Mdl:1oORDe) Input Vt Lmx Vref err K st Efdu Efd Output Lmn Vso s Kf stf 98

99 Model RegTensao#Mdl:1oORDe Input Lmx Vt Vref err K st Efdu Efd Output Lmn Vso s Kf stf 99

100 Capacidade de Curto-Circuito Referência: C. Taylor, Power System Voltage Stability, McGraw-Hill,

101 Capacidade de Curto-Circuito É uma grandeza locacional É o produto da corrente de curto-circuito trifásica pela tensão nominal (MVA). Trabalhando em pu e considerando tensão nominal no cálculo da corrente de curto, a CCC é o inverso da impedância de Thévenin no ponto do curto. A CCC é uma medida da robustez do ponto em relação a variações de tensão 101

102 Relação de Curto-Circuito (Short Circuit Ratio SCR) É a relação da CCC pela capacidade (MVA) de um equipamento a ser localizado no sistema O equipamento pode ser uma carga, um conversor de uma linha HVDC, um compensador estático, etc. Um SCR elevado (digamos = 5) significa bom desempenho do sistema Um SCR baixo significa problemas 102

103 Regulação de Tensão Na engenharia, a utilização de fórmulas aproximadas muitas vezes é bem-vinda para uma análise expedita. V Q CCC Ou seja, a variação de tensão em uma determinada barra para uma dada injeção de potência reativa é inversamente proporcional à Capacidade de Curto-Circuito (CCC) da barra. 103

104 A relação X/R Por exemplo, uma linha típica de 345 kv tem a relação X/R próxima a 10 e uma de 500 kv tem a relação X/R próxima a 18. Entretanto, por exemplo, no Cabo 1/0 CA* essa relação reduz para 0,7. Regulação de tensão: V Q CCC Na distribuição, passa a ser relevante também: V P CCC * Cabo típico de redes de distribuição 104

105 Regulação de Tensão OBS: Todos os bancos de capacitores são de 10 Mvar. A relação X/R de todas as LTs é de (7,2%/ 0,85%) 8,5 Arquivo: smec_ccc.fdx 105

106 Tensões em pu Localização do banco Tensão Barra #1 Tensão Barra #2 Tensão Barra #3 Tensão Barra #4 Tensão Barra #5 Sem banco 1,0084 0,9911 0,9735 0,9510 0,9242 Barra #2 1,0084 0,9985 0,9817 0,9600 0,9336 Barra #3 1,0084 0,9992 0,9864 0,9650 0,9389 Barra #4 1,0084 0,9995 0,9869 0,9693 0,9434 Barra #5 1,0084 0,9995 0,9870 0,9694 0,9470 Barra#2 V % 0,9985 0,9911 0, % = 0,75% Barra#5 V % 0,9470 0,9242 0, % = 2,5% 106

107 Geração em MW/Mvar Localização do banco P (MW) Q (Mvar) Ângulo Barra #1 Ângulo Barra #5 Sem banco 205,892 42,386 3,59-16,58 Barra #2 205,775 29,396 3,59-16,30 Barra #3 205,703 28,249 3,59-16,20 Barra #4 205,664 27,632 3,59-16,16 Barra #5 205,600 27,554 3,59-16,16 107

108 Regulação de Tensão (sem uma LT 4-5) Arquivo: smec_ccc_1lt.fdx 108

109 Tensões em pu Localização do banco Tensão Barra #1 Tensão Barra #2 Tensão Barra #3 Tensão Barra #4 Tensão Barra #5 Sem banco 1,0084 0,9642 0,9301 0,8925 0,8250 Barra #2 1,0084 0,9732 0,9411 0,9052 0,8399 Barra #3 1,0084 0,9746 0,9469 0,9118 0,8476 Barra #4 1,0084 0,9755 0,9483 0,9171 0,8537 Barra #5 1,0084 0,9760 0,9491 0,9182 0,8620 Barra#2 V % 0,9732 0,9642 0, % = 0,93% Barra#5 V % 0,8620 0,8250 0, % = 4,48% 109

110 Geração em MW/Mvar Localização do banco P (MW) Q (Mvar) Ângulo Barra #1 Ângulo Barra #5 Sem banco 209,859 90,384 3,59-24,15 Barra #2 209,507 74,416 3,59-23,51 Barra #3 209,294 71,994 3,59-23,25 Barra #4 209,131 70,396 3,59-23,08 Barra #5 208,965 69,430 3,59-22,99 110

111 Comparação da Geração Ativa Com 2 LTs entre 4-5 Com 1 LT entre 4-5 Localização do banco P (MW) Q (Mvar) P (MW) Q (Mvar) Sem banco 205,892 42, ,859 90,384 Barra #2 205,775 29, ,507 74,416 Barra #3 205,703 28, ,294 71,994 Barra #4 205,664 27, ,131 70,396 Barra #5 205,600 27, ,965 69,430 P % 209, , , % = 1,93% P % 208, , % = 1,64% 205,

112 Comparação da Geração Reativa Com 2 LTs entre 4-5 Com 1 LT entre 4-5 Localização do banco P (MW) Q (Mvar) P (MW) Q (Mvar) Sem banco 205,892 42, ,859 90,384 Barra #2 205,775 29, ,507 74,416 Barra #3 205,703 28, ,294 71,994 Barra #4 205,664 27, ,131 70,396 Barra #5 205,600 27, ,965 69,430 Q % 90,384 42,386 42, % = 113% Q % 69,430 27, % = 152% 27,

113 A Curva P-V (a curva do nariz ) 113

114 Curva P-V V L 2 Th E 2 Q L X Th 4 Th E 4 X 2 Th P 2 L X Th E Th Q L 114

115 Curva P-V ( Curva do Nariz ) V O 1 N MARGEM DE CARGA PARA CASO DE CONTINGÊNCIA N MARGEM DE CARGA PARA O CASO BASE P (MW ou %) 115

116 Característica da Carga Z constante (a=0; b=0; c=1) I constante (a=0; b=1; c=0) P constante (a=1; b=0; c=0) 150 P constante Z constante I constante Potência (MW) Tensão (pu) 116

117 Curvas da Rede x da Carga Z constante P constante Fonte: D. M. Falcão