Geração de Energia Elétrica Laboratório

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1 Geração de Energia Elétrica Laboratório Aspectos Dinâmicos da Geração Hidroelétrica Laboratório Joinville, 26 de Março de 2012

2 Escopo dos Tópicos Abordados Controle de Carga-Frequência Regulação Primária Modelo do Sistema de Potência; Reguladores de Velocidade; Modelos de Turbinas Hidráulicas. Modelos Completos Sistema de Potência + Reguladores de Velocidade+ Turbinas Hidráulicas 2

3 Modelagem do Sistema de Potência Aplicando a transformada de Laplace e escrevendo o diagrama de blocos: Por conveniência, trabalha-se com Potência ao invés de Torque: Diagrama de blocos que representa a resposta do gerador devido a uma variação de carga. 3

4 Modelagem do Sistema de Potência Modelando a resposta das cargas devido a variação de frequência: Volta-se ao caso da Regulação Própria do Sistema, expressa por um coeficiente de amortecimento (D) ΔP Δf C D= Δ PC = DΔf Como, em equilíbrio, potência elétrica do gerador é igual a potência da carga: Chega-se ao diagrama de blocos que representa a dinâmica do sistema de potência (gerador + carga) 4

5 Modelagem do Sistema de Potência Para modelar o controle primário, é necessário ainda modelar o tipo de turbina e seus diferentes tipos de reguladores de velocidade Devem ser modelados turbina e RV para poder variar a potência mecânica Δ P =Δ P =Δ P + DΔω mec ele L ΔP mec Re gulador Velocidade 5

6 Modelagem de Turbinas Hidráulicas Modelo escolhido (é ideal e o mais utilizado): ΔP g ΔA As deduções e equacionamentos são complexos e demorados, porém o modelo resultante é dado por: = variação de potência gerada; 1 s. Tw = variação da abertura da válvula de admissão da turbina; = = constante de tempo de inércia da água. 1+ s. T w / 2 ΔP g ΔA T w 6

7 Modelagem de Turbinas Hidráulicas Diagrama de blocos respectivo: ΔP onde: g ΔA L μ 1 s. Tw = 1+ s. T / 2 T w = w μ. L g. H = comprimento da tubulação (m); = velocidade da água (m); H = altura da coluna d água (m); g C = aceleração da gravidade (m/s 2 ); C Particularidade do modelo: Para um aumento de carga, ocorre uma redução da pressão dentro da tubulação, o que tem como conseqüência uma leve redução no torque. A tendência de desvio inicial é oposta a do valor final 7

8 Modelagem do Sistema de Regulação Primária Após modelados as dinâmicas do sistema de potência e a turbina hidráulica, deve-se modelar os reguladores de velocidade; Modelo genérico de uma malha Pf. 8

9 Modelagem de Reguladores de Velocidade Tipos de reguladores de velocidade: Regulador Isócrono; Regulador com queda de velocidade; Regulador com queda de velocidade e estatismo transitório 9

10 Modelagem de Reguladores de Velocidade Regulador Isócrono: É um RV com FT de um integrador: Δ ( s) k = ΔF( s) s A 2 Sua atuação só é cessada quando o desvio de frequência for NULO, daí seu nome; Não é utilizado em sistemas interligados, somente em um sistema com uma máquina (ou usina faz-se um equivalente das máquinas) atendendo a cargas; Sua operação e características resultam em operação pouco estáveis; 10

11 Modelagem de Reguladores de Velocidade Características de atuação de um Regulador Isócrono: 11

12 Modelagem de Reguladores de Velocidade Regulador com queda de velocidade: Em um regulador mais rápido e estável que o isócrono, porém apresenta como desvantagem um desvio de frequência em regime permanente (corrigido pelo controle secundário CAG); Permite distribuir as variações de carga entre várias unidades geradoras ligadas em paralelo. 12

13 Modelagem de Reguladores de Velocidade Regulador com queda de velocidade: Função de transferência e diagrama de bloco. ΔA( s) ΔF( s) = 1/ R 1+ s. T 1 O parâmetro R é conhecido como constante de regulação de velocidade ou também por estatismo (se os cálculos forem feitos na base da cada máquina). 13

14 Modelagem de Reguladores de Velocidade Regulador com queda de velocidade: Resposta temporal do regulador com queda de velocidade: Pelo teorema do valor final, o desvio de frequência é: Δ f r. p. = R 14

15 Modelagem de Reguladores de Velocidade Regulador com queda de velocidade e estatismo transitório: Usado em unidades hidráulicas devido às características peculiares das mesmas; Necessitam de reguladores com características especiais de queda transitória para comportamento de controle de velocidade estável; Para desvios rápidos de frequência, o regulador apresenta alta regulação (baixo ganho), enquanto que para variações lentas e em regime permanente, o regulador apresenta uma baixa regulação (ganho elevado). Função de transferência e diagrama de blocos ΔA ΔF = R(1 + s. T (1 + g ).(1 + s. T t ) s. T t.( r / R)) 15

16 Malha Pf Regulação Primária Malha de controle de velocidade primário: 16

17 Malha Pf Regulação Primária Dados para a máquina de Machadinho: Máquina de Machadinho. Tw=1,5 s; H= 4,844 MW s/ MVA Supor D=1. Montar o diagrama de blocos para o regulador comqueda e simular aplicando variação de Carga= -0,1 pu (Delta PL). 17

18 Malha Pf Regulação Primária O sistema é instável devido ao alto ganho do RV - (1/R). A Solução é utilizar um RV com queda e estatismo transitório; O ajuste para o RV é feito com o sistema isolado (ilhamento), neste caso os requisitos de geração são severos. O Projeto de compensadores podem ser feitos: Bode; Fórmulas aproximadas; Ziegler-Nichols; Delta PL s s+1 Regulador de Velocidade 0.75s+1 Turbina Hidráulica Delta Pemc 9.688s+1 Inércia + Carga Delta W w Pm To Workspace2 To Workspace1 18

19 Malha Pf Regulação Primária Compensação do sistema Através do diagrama de Bode: G 1+ s ( s) = c x s Fórmulas aproximadas: Também usa-se: T r = 6T = 6*1,5 = 9, 0 W 19

20 Malha Pf Regulação Primária Dados para a máquina de Machadinho com compensador via Bode 20

21 Malha Pf Regulação Primária Dados para a máquina de Machadinho com compensador via Fórmulas Aproximadas 21

22 Malha Pf Regulação Primária Projete outro compensador via Fórmulas Aproximadas, adotando: T r = 6T = 6*1,5= 9,0 W 22

23 Malha Pf Regulação Primária Compare os resultados para os três sistemas compensados; Elimine a auto-regulação da carga (D=0) e compare com o respectivo caso considerando D=1; Teste a robustez dos projetos variando o valor de M: Exemplo: M=6 ou M=12 23