Avaliação da Estabilidade de Sistemas de Distribuição Considerando a Presença de Elevada Penetração de Geração Distribuída

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1 Avaliação da Estabilidade de Sistemas de Distribuição Considerando a Presença de Elevada Penetração de Geração Distribuída Alisson Guedes Chagas e Antônio Carlos Zambroni de Souza Cemig Distribuição S.A. Av. Barbacena, 1200, Sto Agostinho Belo Horizonte e Unifei. Av. BPS, 1303, Pinheiro Itajubá - MG Resumo Este trabalho aborda a estabilidade em sistemas elétricos de alta tensão, num cenário de elevada penetração de geração distribuída (GD). É desenvolvido um estudo de estabilidade de um sistema real disponibilizado pela CEMIG, considerando a conexão de uma Pequena Central Hidrelétrica (PCH), onde vários distúrbios são analisados. As simulações tiveram como objetivo avaliar o comportamento dinâmico do sistema elétrico sob o impacto da conexão da PCH, através da análise das oscilações angulares, potência elétrica e acelerante dos geradores, frequência e perfil de tensão nos barramentos. Como resultado verifica-se que dinamicamente não foram observadas restrições no sistema elétrico quando da conexão da GD, apesar de ocorrer separação elétrica entre algumas regiões, evidenciando a necessidade de um estudo futuro de ilhamento. Palavras-chaves Estabilidade eletromecânica, geração distribuída, sistema elétrico de potência. I. INTRODUÇÃO Incentivos governamentais e as recentes mudanças na legislação que asseguram o livre acesso aos sistemas de transmissão e distribuição, associados às crescentes restrições ambientais e financeiras para a implantação de grandes empreendimentos de geração, proporcionaram um aumento da participação das unidades geradoras conectadas diretamente nos sistemas de distribuição brasileiro. Entende-se como geração distribuída (GD) as unidades geradoras de energia elétrica conectadas nos sistemas de distribuição, próximas dos centros de cargas. Essa inserção de fontes de GD representa uma mudança significativa de paradigma para as distribuidoras de energia, especialmente no que tange ao planejamento, operação e manutenção de suas redes. Isso ocorre porque os sistemas de distribuição eram projetados e operados para uma topologia de rede radial, na qual existia somente uma fonte geradora de energia. Esses sistemas passam agora a apresentar características malhadas, possibilitando, em alguns casos, a redução das perdas elétricas e da necessidade da realização de investimentos para atendimentos aos novos consumidores. Se por um lado existe um crescente movimento, além de incentivos governamentais, para a ampliação da geração distribuída, por outro se verifica o aumento da preocupação do operador nacional e, principalmente, das distribuidoras, com a confiabilidade e a estabilidade dos sistemas elétricos. Análises de caráter dinâmico, antes exclusivas dos sistemas de transmissão em extra-alta tensão, passam a fazer parte do dia a dia dos profissionais que trabalham com o planejamento e a operação dos sistemas de distribuição. Barras e áreas críticas têm suas características modificadas em virtude de constantes alterações na configuração dos sistemas, com a conexão de novos acessantes. Estes aspectos estão impondo aos sistemas elétricos de potência (SEP) condições de operações ainda mais estressadas, próximas aos limiares operativos. Tais condições vêm contribuindo para o crescimento do problema de estabilidade do sistema e a caracterização de diferentes formas de instabilidade. O artigo discute a estabilidade em um sistema real da CEMIG D considerando a conexão de uma Pequena Central Hidrelétrica (PCH). Neste cenário, foram simulados vários distúrbios cujo objetivo foi avaliar o comportamento dinâmico através da análise das oscilações angulares dos geradores, potência elétrica, potência acelerante, frequência e perfil de tensão dos barramentos de carga. Este trabalho é dividido da seguinte maneira: na seção 2 são apresentadas as características do sistema elétrico em estudo; na seção 3 são mostrados o desenvolvimento do trabalho e os resultados obtidos; na seção 4 as conclusões obtidas são apresentadas, bem como as propostas de trabalhos futuros. II. SISTEMA ELÉTRICO EM ESTUDO A. Sistema Elétrico Norte de Minas Gerais Região de Três Marias O sistema elétrico em estudo refere-se à área suprida pela Usina Hidrelétrica (UHE) Três Marias que atende parte da região Norte do Estado, abrangendo os municípios de Três Marias, Corinto, Curvelo, Gouvêa, Datas, Couto Magalhães e Diamantina. Este sistema apresenta hoje diversos níveis de tensão, sendo que o mesmo se conecta ao Sistema Interligado Nacional (SIN) através da SE UHE Três Marias em 345 kv. Trata-se de um Sistema de Distribuição de Alta Tensão (SDAT) originalmente radial, com o suprimento através de duas linhas em 138 kv, com capacidade nominal de 125 MVA cada, conforme mostrado na Fig. 1,

2 TABELA II. PARÂMETROS DOS GERADORES DA UHE RETIRO BAIXO. UHE RETIRO BAIXO - G1 e G2 - BARRA UHERBAIXO_13.8 Modelo DIN. SÍNCRONO Xd (%) 110,00 P (MW) 41,00 Xq (%) 65,00 Fator de Potência 0,90 X'd (%) 35,00 QMAX (Mvar) 17,18 X'q (%) - QMIN (Mvar) -17,18 X"d (%) 22,00 SBASE (MVA) 46,11 Xl (%) 14,00 VBASE (kv) 13,80 T'do (s) 5,00 H (s) 3,1650 T'qo (s) - D (pu) - T"do (s) 0,06 Ra (%) - T"qo (s) 0,15 Curva Sat. - Ag 0,0932 Curva Sat. - Bg 3,5640 Fig. 1. Sistema Elétrico Regional. TABELA III. PARÂMETROS DOS GERADORES DA PCH QUARTEL. No ano de 2010 a UHE Retiro Baixo, com uma capacidade de geração de 82 MW, entrou em operação, se conectando a barra de 138 kv da SE Curvelo 2. A partir de então, o sistema deixou de ser totalmente radial e passou a contar com uma injeção de potência no sentido carga fonte principal, auxiliando no controle de potência reativa e tensão da região. A PCH Quartel, com capacidade instalada de 19,12 MW, se interligará ao sistema regional no barramento de 138 kv da SE Diamantina, através de uma linha de distribuição de aproximadamente 60 km de extensão. Na Tabela 1 são apresentados os parâmetros das linhas de transmissão e dos transformadores existentes (potência aparente de base 100 MVA e tensão de base 138 kv) no sistema em questão. TABELA I. PARÂMETROS DAS LINHAS DE DISTRIBUIÇÃO E TRANSFORMADORES. B. Parâmetros dos Geradores CAPAC. COMP. R1 X1 R0 X0 B TIPO DE N PARA N (MVA) (Km) (%) (%) (%) (%) (Mvar) LD1 UHE TRÊS MARIAS_138 1 CORINTO_ ,86 22,92 20,72 80,38 5,43 LD2 UHE TRÊS MARIAS_138 1 CORINTO_ ,81 22,14 21,18 80,23 6,09 TR1 CORINTO_138 2 CORINTO_ , LD3 CORINTO_138 2 CURVELO2_ ,26 11,22 10,24 39,39 2,66 TR2 CURVELO2_138 4 CURVELO2_ , TR3 CURVELO2_138 4 CURVELO2_ , LD4 CURVELO2_69 6 CURVELO1_ ,0 9,40 18,81 10,64 22,28 38,04 0,14 LD5 CURVELO2_138 4 UHERBAIXO_ ,39 10,99 8,86 32,28 3,03 TR4 UHERBAIXO_138 7 UHERBAIXO_ , , TR5 UHERBAIXO_138 7 UHERBAIXO_ , , LD6 CORINTO_138 2 DIAMANTINA_ ,8 10,17 26,35 25,34 100,57 6,45 TR6 DIAMANTINA_138 9 DIAMANTINA_ , TR7 DIAMANTINA_138 9 DIAMANTINA_ , TR8 DIAMANTINA_138 9 DIAMANTINA_ , LD7 DIAMANTINA_138 9 PCHQUARTEL_ ,98 15,53 14,52 56,08 3,81 TR9 PCHQUARTEL_ PCHQUARTEL_ , TR10 PCHQUARTEL_ PCHQUARTEL_ , LD8 DIAMANTINA_ GOUVEA , ,25 129,32 553,979 0,144 De acordo com o submódulo 23.3 do ONS (Operador Nacional do Sistema Elétrico) dos Procedimentos de Rede do ONS [1], usinas de pequeno porte podem ser representadas pelo modelo clássico, constituído por uma fonte de tensão constante atrás da reatância transitória de eixo direto. Este modelo foi utilizado para a modelagem da PCH Quartel. A UHE Retiro Baixo já se encontra em operação, com dois geradores de 41,0 MW cada. Nas Tabelas 2 e 3 são apresentados os parâmetros da UHE Retiro Baixo e da PCH Quartel (usina a ser conectada), respectivamente. O regulador de tensão utilizado para as duas usinas foi o do tipo primeira ordem, com ganho e parâmetros do limitador ainda típicos, e o regulador de velocidade o de estatismo permanente, com queda de velocidade típica também. III. DESENVOLVIMENTO E RESULTADOS A. Análises de Fluxo de Potência As análises de fluxo de potência foram desenvolvidas a partir da base de dados do sistema de distribuição da Cemig D, com o detalhamento e modelagem da região de Três Marias e Diamantina. Verificou-se que todas as linhas apresentaram carregamentos abaixo dos seus respectivos limites nominais, não havendo violações. Em regime permanente, a tensão nos barramentos de distribuição de alta tensão deve estar compreendida entre 0,95 e 1,05 p.u. da tensão nominal. Todos os barramentos estão com as tensões dentro do determinado pela legislação, sem violações. B. Análises Dinâmicas Foram simulados diversos testes de modelos e distúrbios em quase todo o sistema elétrico regional. Para este trabalho foram elencadas as mais relevantes:

3 1) Degrau na tensão de referência do regulador de tensão PCH Quartel Com objetivo de avaliar o desempenho da modelagem e os ajustes sugeridos para o regulador automático de tensão da PCH Quartel, foi aplicado um degrau de 5% na tensão de referência do mesmo, de forma a verificar o comportamento da resposta no domínio do tempo. As Figuras 2 a 4 apresentam o resultado das oscilações angulares dos geradores, frequência e perfil de tensão dos barramentos. onde a variação máxima não supera os 10% aceitáveis, conforme submódulo 23.3 dos Procedimentos de Rede do ONS [1], com bom fator de amortecimento para as oscilações, que se extinguem em aproximadamente dois segundos. 2) Degrau na referência da potência mecânica do regulador de velocidade da PCH Quartel Foi aplicado um degrau de 5% na referência da potência mecânica do regulador de velocidade da PCH Quartel, de forma a verificar o comportamento da resposta no domínio do tempo. As Figuras 5 a 7 apresentam os resultados. Fig. 2. Defasagem angular dos geradores (graus). Fig. 5. Defasagem angular dos geradores (graus). Conforme verificado na Fig. 5 o deslocamento angular é menor que 10 graus, assumindo um novo valor estável em aproximadamente 7 segundos. Fig. 3. Frequência dos geradores (Hz). Fig. 6. Frequência dos geradores (Hz). Os ajustes sugeridos conduzem para uma variação da frequência do sistema muito inferior aos 0,2 Hz aceitáveis em [1], bem como para um perfil de tensão praticamente inalterado, conforme Figuras 6 e 7, respectivamente. Fig. 4. Perfil de Tensão (p.u.). Analisando a Fig. 4 verifica-se que os ajustes sugeridos promovem um comportamento estável do perfil de tensão,

4 Fig. 9. Frequência dos geradores (Hz). Fig. 7. Perfil de Tensão (p.u.). Ressalta-se que nos dois itens anteriores não foram realizadas análises paramétricas exaustivas no sentido de se obter a máxima otimização dos controladores por falta de informações adicionais necessárias para a aferição da modelagem a ser implementada, como: resultados de testes de campo (degrau em vazio e em carga), esclarecimentos sobre algumas não-linearidades de funções dos modelos fornecidos que, normalmente, são detectadas nos testes de campo, entre outras. 3) Curto-Circuito trifásico na LD 138 kv Corinto Diamantina. - Sem religamento (Ilha UHE Retiro Baixo Estável) Foi aplicado um curto-circuito trifásico na linha de distribuição (LD) 138 kv Corinto Diamantina, sem religamento. Como as proteções desta linha são do tipo distância, a falta foi eliminada em 50 ms. Fig. 10. Potência Acelerante (p.u.). Fig. 8. Defasagem angular dos geradores (graus). Conforme verificado na Fig. 8, a defasagem angular foi superior aos 10 graus, previstos nos critérios para estudos eletromecânicos em [1]. Neste caso dever-se-ia consultar o fabricante das máquinas a fim de verificar se os esforços ligeiramente superiores aos permitidos nos critérios poderiam ser aceitos. Fig. 11. Perfil de Tensão (p.u.). Dinamicamente não foram observadas quaisquer restrições quanto à perda dessa LD para o restante do sistema elétrico, apesar de ocorrer a separação elétrica entre as regiões de Diamantina Quartel e Curvelo Retiro Baixo. As oscilações eletromecânicas são amortecidas satisfatoriamente e as tensões se estabilizam em valores aceitáveis no eixo Corinto Curvelo UHE Retiro Baixo. As figuras 9 a 11 apresentam estes resultados - Com religamento (Sistema Instável)

5 O mesmo distúrbio foi agora aplicado com o consequente religamento temporizado em 2 segundos. Nesta situação verifica-se que as máquinas tanto da PCH Quartel, quanto da UHE Retiro Baixo perdem o sincronismo com o restante do sistema, conforme Fig. 12. Isso implica na eventual necessidade de definição e análise de um esquema de controle de emergência, rejeitando unidade geradora da PCH Retiro Baixo, para compatibilizar a geração x carga, acompanhada da revisão dos ajustes dos sistemas de controle desta usina. consulta ao fabricante das máquinas a fim de verificar se os esforços superiores aos permitidos nos critérios poderiam ser aceitos. Fig. 14. Frequência dos geradores (Hz). Fig. 12. Curto-Circuito trifásico na LD Corinto Diamantina, com religamento. 4) Curto-Circuito trifásico na LD 138 kv Corinto Curvelo 2. - Sem religamento (Ilha PCH Quartel Estável) Foi aplicado um curto-circuito trifásico na linha de distribuição (LD) 138 kv Corinto Curvelo 2, sem religamento. Dinamicamente não foram observadas restrições quanto à perda dessa LD, para o restante do sistema elétrico, apesar de ocorrer a separação elétrica entre as regiões de Diamantina Quartel e Curvelo Retiro Baixo. As oscilações eletromecânicas são amortecidas satisfatoriamente e as tensões se estabilizam em valores aceitáveis agora no eixo Corinto Diamantina PCH Quartel. As figuras 13 a 16 apresentam estes resultados. Fig. 15. Potência Acelerante (p.u.). Apesar da variação angular ligeiramente superior, o que pode ser minimizado com ajustes em campo no regulador de velocidade, ou analisando se as máquinas suportariam tais variações, verifica-se na Fig. 16 que o perfil de tensão se estabiliza após dois segundos e não excede 60% da tensão nominal após a primeira oscilação. Fig. 13. Defasagem angular dos geradores (graus). Através da análise da Fig. 13, a defasagem angular foi ainda mais superior aos 10 graus, previstos nos critérios previstos pelo ONS. Mais uma necessidade evidenciada da Fig. 16. Perfil de Tensão (p.u.).

6 - Com religamento (Sistema Instável) O mesmo distúrbio foi agora aplicado com o consequente religamento temporizado em 2 segundos. Nesta situação verifica-se que as máquinas tanto da PCH Quartel, quanto da UHE Retiro Baixo perdem o sincronismo com o restante do sistema, conforme Fig. 17. forma a equilibrar o balanço carga x geração, em situações de distúrbios nos componentes do sistema. IIV. REFERÊNCIAS [1] ONS, Procedimentos de Rede. Disponíveis em <http://www.ons.org.br/procedimentos/index.aspx>. [2] ANEEL, Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional PRODIST. Disponíveis em <http://www.aneel.gov.br/visualizar_texto.cfm?idtxt=1867>. Acesso em: 12 de abril de Este trabalho é parte da dissertação desenvolvida para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Itajubá. Fig. 17. Curto-Circuito trifásico na LD Corinto Curvelo 2, com religamento. IV. CONCLUSÕES Este trabalho apresentou, de uma forma simplificada, uma análise de estabilidade de sistemas elétricos quando da conexão de uma PCH no SDAT da região Norte de Minas Gerais. As análises de fluxo de potência foram desenvolvidas a partir da base de dados do sistema de distribuição da Cemig D, com o detalhamento e modelagem da região de Três Marias e Diamantina. Verificou-se que todas as linhas apresentaram carregamentos abaixo dos seus respectivos limites nominais, não havendo violações. Em regime permanente, a tensão nos barramentos de distribuição de alta tensão deve estar compreendida entre 0,95 e 1,05 p.u. da tensão nominal. Todos os barramentos estão com as tensões dentro do determinado pela legislação, sem violações. Foram realizadas simulações dinâmicas que tiveram como objetivo a avaliação do comportamento dinâmico do sistema elétrico sob o impacto da conexão da PCH, através da análise das oscilações angulares, potência elétrica e acelerante dos geradores, frequência e perfil de tensão nos barramentos. Os resultados das simulações indicaram um desempenho satisfatório do sistema elétrico regional em função da entrada em operação da PCH Quartel. A mesma apresentou resposta adequada às ocorrências de perturbações na rede analisada, sem impactos significativos para as instalações acessadas. Observou-se, em geral, um tempo inferior ao definido nos critérios do ONS para amortecimento das oscilações das grandezas envolvidas. Verificou-se, entretanto, a perda de estabilidade para a hipótese de isolamento das usinas Quartel e Retiro Baixo do restante do sistema, em função da abertura da interligação entre a SE Corinto Diamantina ou Corinto Curvelo 2. Como trabalhos futuros, faz-se necessária a complementação das análises com um estudo específico de ilhamento e de um esquema de controle de emergência, de

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