Estudo de Curto-Circuito no Sistema Elétrico do Rio Grande do Norte com a Presença de Parques Eólicos Usando o Programa ANAFAS

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1 XIII SIMPÓSIO DE ESPECIALISTAS EM PLANEJAMENTO DA OPERAÇÃO E EXPANSÃO ELÉTRICA XIII SEPOPE 18 a 21 de Maio 2014 May 18 th to 21 st 2014 FOZ DO IGUAÇU (PR) - BRAZIL XIII SYMPOSIUM OF SPECIALISTS IN ELECTRIC OPERATIONAL AND EXPANSION PLANNING Estudo de Curto-Circuito no Sistema Elétrico do Rio Grande do Norte com a Presença de Parques Eólicos Usando o Programa ANAFAS RESUMO A. M., Morais, M. V. A., Nunes, J. P. A., Vieira, W. D, Oliveira, F., Monteiro. Universidade Federal do Pará, PPGEE/UFPA P. O. Box 8619, Belém, PA , Brasil. Motivado pelo aumento acentuado da integração da energia eólica no Estado do Rio Grande do Norte (RN), previsto para ocorrer até meados de 2020, o presente trabalho vem apresentar uma análise de curto-ciruito, em regime permanente, que visa observar e comparar o comportamento do sistema elétrico de potência (SEP) do RN considerando quatro casos: SEP sem o parque eólico (PEOL) sob estudo; inserção PEOL composto somente por aerogeradores de indução modelados como motores de indução (SCIG, do ingês Squirrel Cage Inductor Generator e DFIG, do inglês Double Fed Inductor Genarator, com circuito crowbar ); PEOL com penetração de aerogeradores síncronos de conversor pleno (DDSG, do inglês Direct Drive Synchronous Generator ) ou DFIG com circuito chopper, pois ambos são modelados como uma fonte de corrente e PEOL que agrega os dois modelos anteriores. Tal análise será obtida através de simulações de faltas na rede elétrica, utilizando para isso o programa de Análises de Faltas Simultâneas (ANAFAS) e o arquivo que contempla toda a base de dados de curto-circuito do Sistema Interligado Nacional (SIN). Com as simulações objetiva-se extrair, de cada cenário, o nível de afundamento observado em três barramentos: uma subestação de Natal-RN; a barra de conexão comum do parque com a rede (PCC) e a barra coletora do PEOL, e a partir daí, tecer comentários a respeito das áreas que representam uma maior vulnerabilidade de desconexão do parque eólico, no que se refere os limites de suportabilidade de queda de tensão exigidos pelo Operador Nacional do Sistema (ONS), para cada um dos casos de estudo, assim como também mensurar a contribuição da geração eólica para o SEP frente ao curtocircuito mais provável de ocorrer e a faltas mais severa: curto monofásico e trifásico, respectivamente. PALAVRAS-CHAVE Parque Eólico, Rio Grande do Norte, Curto-Circuito, Aerogeradores, Análise de Faltas Simultâneas, Sistema Interligado Nacional, Operador Nacional do Sistema, Afundamento de Tensão. UFPA AV. Augusto Correia, 01 Cidade Universitária CEP: Belém PA Brasil TEL: (91) andre_mel_mor@hotmail.com

2 1. Introdução O aumento expressivo de novos empreendimentos faz com que, o setor elétrico brasileiro, em especial o RN, experimente alterações significativas na sua estrutura, levando a novas definições e combinações de condições técnicas que assegurem a operação e a confiabilidade do sistema, em razão das centrais eólicas estarem sujeitas a perturbações dinâmicas e transitórias originadas por curtocircuito na rede elétrica, podendo comprometer a continuidade do fornecimento da energia bem como também a qualidade de serviço manifestada nos níveis de tensão e frequência. A solução para o problema dos distúrbios elétricos tem início no estudo da compatibilidade entre o equipamento e o fornecimento de energia. Para isso, necessita-se conhecer a qualidade da tensão suprida e a tolerância do equipamento à tensão de suprimento [1], [2]. Com o objetivo de avaliar a qualidade da tensão suprida o presente trabalho fez uso do software ANAFAS para modelar e analisar um sistema de potência real quando submetido a diferentes tipos de falta, em diferentes barras. O programa de simulação ANAFAS é amplamente utilizado pelas concessionárias distribuidoras de energia elétrica no Brasil. O estudo foi realizado no sistema elétrico do RN. O desempenho da rede elétrica, quanto a afundamentos de tensão, interrupções e elevações de tensão, foi avaliado a partir da resposta do software de análise empregado. 2. Análise de Faltas Sistemas elétricos de potência estão frequentemente expostos a interrupções, principalmente devido às faltas, de origens diversas, e/ou operação incorreta. Uma falta, no contexto de SEP, é definida como qualquer distúrbio que interfere no fluxo normal da rede elétrica. Os curtos-circuitos são geralmente chamados de defeitos ou faltas e ocorrem de maneira aleatória nos sistemas de potência. Suas consequências podem ser extremamente danosas ao sistema, se não forem prontamente eliminados pelo sistema de proteção [3]. Os estudos de curtos-circuitos têm por finalidade: - detectar áreas de vulnerabilidade no SEP, baseado nos níveis de afundamento; - permitir o dimensionamento dos diversos componentes do sistema quando sujeito as solicitações dinâmicas e efeitos térmicos decorrentes do curto; - possibilitar a seleção de disjuntores; - permitir a execução da coordenação de relés de proteção; - possibilitar a especificação de para-raios. Vários fatores contribuem para ocorrência de faltas em SEP, vale destacar os mais frequentes: descargas atmosféricas; falhas mecânicas em cadeias de isoladores; fadiga e/ou envelhecimento de materiais; ação de vento, neve, ou similares; poluição; queimadas; quedas de árvores sobre redes; colisões de veículos com elementos de sustentação de linhas; inundações; desmoronamentos; vandalismo; entrada de pequenos animais em equipamentos; manobras incorretas. Os sistemas de energia estão em operação há mais de cem anos. O acúmulo de experiência mostra que todas as faltas não são equiprováveis. A falta fase-terra (Figura 1(a)) é a mais provável enquanto que uma falta devido o curto-circuito simultâneo entre todas as três fases (Figura 1(b)) é a menos provável, porém a mais severa [4]. Isso é retratado na Tabela I. 1

3 Tabela I: Estatística de faltas [4]. Falta Probabilidade de Ocorrência (%) Severidade Fase-Terra (F-T) 85 Menos severo Fase-Fase (F-F) 8 Fase-Fase-Terra (F-F-T) 5 Fase-Fase-Fase (F-F-F) 2 Total 100 Mais severo Figura 1 (a) Representação do Curto- Circuito Monofásico Figura 1 (b) Representação do Curto-Circuito Trifásico 3. O ANAFAS e os Modelos de Aerogeradores O ANAFAS, desenvolvido pelo Centro de Pesquisas de Energia Elétrica CEPEL, com o patrocínio da Eletrobrás e de suas concessionárias, é um programa computacional para cálculo de curtos-circuitos que permite a execução automática de grande número de faltas, inclusive deslizantes, e resultados orientados a pontos de falta ou de monitoração. Os aerogeradores de indução (SCIG e DFIG com circuito crowbar ) vistos na Figura 2 e 3 podem ser representados da mesma forma que motores de indução, através de uma fonte de tensão ideal atrás de uma impedância conforme mostrado na Figura 4. Figura 2 Representação do SCIG Figura 3 DFIG com Circuito Crowbar [5] Uma característica importante das máquinas de indução, no que diz respeito à análise de curtocircuito, é que o campo magnético interno destes equipamentos precisa ser alimentado pela rede. Uma falta próxima pode reduzir a tensão terminal e eliminar a alimentação da rede, fazendo que o campo interno da máquina desapareça rapidamente. Portanto, é possível que a máquina de indução contribua para uma falta apenas nos instantes iniciais. 2

4 Figura 4 - Circuito equivalente do SCIG e DFIG com circuito crowbar e em uma análise estática do curto-circuito [6]. Os aerogeradores síncronos e DFIG (circuito chopper ) com conversores acoplados, ilustrados na Figura 5 e 6, são modelados tendo em vista o comportamento elétrico dos conversores de potência. Vale ressaltar as seguintes características dos conversores [6]: Possui controle que busca manter constante, durante a falta, a potência elétrica ativa de saída, assim como um valor de potência especificado; Contribui apenas com corrente de sequência positiva, mesmo em faltas desequilibradas; Possui limite máximo de corrente de contribuição; Desconecta-se caso a tensão caia abaixo de limites pré-determinados. Figura 5 Representação do DDSG Figura 6 DFIG com Circuito Chopper [5] Sendo assim, esses equipamentos, durante uma falta, se comportam como fonte de corrente de sequência positiva (Figura 7). A fim de proteger os sensíveis dispositivos eletrônicos de potência de correntes elevadas, uma corrente limite de 1.1 pu (por unidade) é permitida no conversor de energia sem a atuação da proteção [5]. Figura 7 - Circuito equivalente do DDSG e DFIG com circuito chopper em uma análise estática de curto-circuito[5]. 4. Estudo de Caso Há poucos anos, as proteções intrínsecas dos geradores eólicos desligavam as máquinas na presença de uma falta na rede elétrica de transmissão e/ou distribuição desde que a tensão no PCC fosse inferior a 0,8 pu, só voltando estes a serem ligados quando a rede estivesse plenamente recuperada do defeito, e isso era aceitável devido ao fato de seu impacto na rede ser pequeno em razão da tímida integração. 3

5 Contudo, mundialmente, o cenário atual exige que os aerogeradores permaneçam em operação, obedecendo aos requisitos de suportabilidade à subtensões decorrentes de faltas na rede básica ( fault ride-through ). Em linhas gerais, isso quer dizer que, caso haja afundamento de tensão em uma ou mais fases no ponto de conexão da central de geração eólica na rede básica, a central é obrigada continuar operando se a tensão nos seus terminais permanecer acima da curva indicada na Figura 8 [7], caso os níveis de tensão fiquem abaixo da curva citada é opcional ao acessante a decisão de permanecer ou não conectado. Figura 8 Curva de Ride-Through [7] Para a realização das simulações foi utilizado o arquivo da base de dados de curto-circuito do Sistema Interligado Nacional para o horizonte de 2015 [7], bem como também o diagrama de impedância do Rio Grande do Norte [7]. Devido o arquivo do ONS disponível para análise não levar em conta as tensões de pré-falta do sistema, todos os experimentos foram realizados admitindo-se a V pré falta = 1 pu. Assim, a corrente de curto-circuito (I cc ) total será igual a corrente de I cc calculada, portanto sem a parcela referente à corrente de carga (I c ), visto que, como já mencionado, o arquivo disponível não dispõe dos dados de pré-falta. Uma parte do diagrama de impedância é apresentada na Figura 9. A ilustração em questão apresenta os barramentos aos quais serão aplicadas as monitorações de tensão e corrente. Nesses barramentos estão conectados os parques eólicos existentes no município de Parazinho (RN). 4

6 Figura 9 Parte do Diagrama de Impedância do RN, região de João Câmara. Na Tabela II, encontram-se, detalhados, os dados de cada CGE (Central de Geração Eólica) presente na Figura 8. Tabela II Dados das CGEs de interesse. CGE BARRA DE CONEXÃO CAPACIDADE (MW) Renascença I ,5 Renascença II ,5 Renascença III ,5 Renascença IV ,9 Renascença V ,5 Euros IV ,5 Ventos de São Miguel Ventos de Santo Uriel ,6 Santa Maria Comportamento das Tecnologias de Geração Eólica Frente à faltas Trifásicas nos Barramentos do Sistema. Foram simuladas faltas trifásicas em alguns barramentos da área da CHESF (Companhia Hidro Elétrica do São Francisco) e, verificado os níveis de tensão nas barras 7516 (Subestação III de Natal), 8658 (PCC) e 8659 (barra coletora do PEOL). O número, nome e nível de tensão das barras afetadas podem ser consultados em [7]. As Figuras 10(a) e 10(b) apresentam gráficos cujos dados mostram o afundamento percebido por cada uma das configurações. Adotaram-se como TIPO I, as tecnologias de aerogeradores modeladas como fonte de tensão em série com uma impedância e TIPO II as tecnologias modeladas como fonte de corrente. Ao considerar a penetração dos dois modelos simultaneamente, as barras 8696, 8698, 8790 e 8791 são do TIPO I e as barras 8692, 8693, 8694, 8695 e 8697 são do TIPO II. 5

7 Figura 10 (a) Comparação entre as três configurações de PEOL para falta trifásica. Figura 10 (b) Comparação entre as três configurações de PEOL para falta trifásica. Dentre as topologias, observa-se que a topologia TIPO I apresenta os menores níveis de afundamento, enquanto a estratégia TIPO II percebe os maiores níveis de afundamento. A explicação para esse comportamento reside no fato do afundamento está intimamente relacionado com a impedância vista entre o ponto em que monitora-se a falta e o ponto onde a falta acontece, assim, como modelo TIPO II para análise do curto-circuito prevê apenas uma fonte de corrente, sem a existência de nenhuma impedância, os afundamentos serão bem maiores quando comparados ao modelo TIPO I. A configuração que adota ambos os modelos têm valores medianos entre as duas estratégias. A Figura 11 aborda um comparativo entre os esquemas, TIPO I e TIPO II, e a rede sem o PEOL da região sob análise. Figura 11 Comparação entre as quatro configurações para falta trifásica. 6

8 Em consonância com os resultados, pode-se afirmar que a presença de um PEOL em um SEP tende a minimizar o afundamento de tensão, ainda que de maneira muito tímida, como é o caso do TIPO II Comportamento das Tecnologias de Geração Eólica Frente à Faltas Monofásicas nos Barramentos do Sistema. De forma semelhante ao realizado para as faltas trifásicas, foram efetuadas simulações de faltas monofásicas na área da CHESF e observado, nos barramentos de interesse, a magnitude da V pós falta (pu). No primeiro momento, utilizando as tecnologias de aerogeradores do TIPO I, foram obtidos os valores da V pós falta, apresentados nos gráficos das Figuras 12(a) e 12(b). Figura 12 (a) Resultado falta monofásica com a presença de geradores TIPO I. Figura 12 (b) Resultado falta monofásica com a presença de geradores TIPO I. Em relação às figuras mostradas anteriormente, pode-se concluir que a falta foi simulada na fase do A dos barramentos, pois quando simulada a falta nos barramentos investigados observa-se que a referida fase assume V pós falta = 0. Quanto à natureza e a quantidade dos afundamentos, confirma-se que em relação aos curtos trifásicos, os curtos monofásicos são bem menos severos, em virtude da área de vulnerabilidade ser bem menor. Dessa forma, fica de fácil entendimento notar o motivo pelo qual os curtos trifásicos, embora mais esporádicos, são bem mais nocivos ao sistema. Em contrapartida, os curtos monofásicos são bem mais frequentes e, dependendo do local em que ocorra, oferece problemas sérios que afetam diretamente a qualidade da energia. O exposto fica bem justificado quando observado as consequências na barra coletora do PEOL, em termos de afundamento de tensão e eminência de desconexão do parque, de faltas monofásicas nas barras 8659, 8790 e Em um segundo momento simulações de curto-circuitos monofásicos, admitindo a penetração de geradores eólicos TIPO II. Os gráficos ilustrados nas Figuras 13(a) a 13(b) apresentam os dados do experimento. 7

9 Figura 13 (a) Resultado falta monofásica com a presença de geradores TIPO II. Figura 13 (b) Resultado falta monofásica com a presença de geradores TIPO II. As ilustrações acima também mostram o aumento dos níveis de afundamento e da área de vulnerabilidade, a exemplo dos experimentos realizados anteriormente com curtos trifásicos e geração eólica TIPO II. Os resultados aquisitados nas simulações utilizando um PEOL com aerogeradores TIPO I e TIPO II podem ser visualizados nas Figuras 14(a) e 14(b). Figura 14 (a) Resultado falta monofásica com a presença de geradores TIPO I e TIPO II. 8

10 Figura 14 (b) Resultado falta monofásica com a presença de geradores TIPO I e TIPO II. Esses últimos resultados seguem a mesma tendência daqueles obtidos para faltas trifásicas no mesmo caso, ou seja, o nível de afundamento apresenta valores no meio termo entre as topologias com aerogeradores TIPO I e TIPO II. Interessado em perceber a contribuição do parque para rede frente às faltas monofásicas foram realizadas comparações entre o SEP com e sem o PEOL sob análise. Os resultados foram impressos nas Figuras 15(a) a 15(c), ressaltando que Va, Vb e Vc representam, nos três seguintes gráficos, as tensões de fase nos barramentos de interesse do SEP sem o PEOL da região de João Câmara Figura 15 (a) Comparação entre as quatro configurações para falta trifásica. Figura 15 (b) Comparação entre as quatro configurações para falta trifásica. 9

11 Figura 15 (c) Comparação entre as quatro configurações para falta trifásica. Constata-se uma melhora no perfil de tensão dos pontos monitorados quando, na rede, são simuladas solicitações monofásicas em algumas barras da CHESF. Contudo, fica perceptível uma sobretensão fora dos padrões toleráveis de qualidade e segurança quando há curto monofásico na barra 8658 e Verificou-se que entre as quatro configurações, os parques eólicos com tecnologia do TIPO I contribuíram para um menor nível de afundamento. Uma consequência imediata disso é que as áreas de vulnerabilidade são bem menores, ou seja, somente faltas em barramentos ou linhas de transmissão muito próximas aos geradores provocarão a desconexão das máquinas. Na prática, sabe-se que para isso ocorrer de fato é necessária uma ótima estratégia de compensação de reativo, para permitir que a máquina de indução sobreviva durante faltas na rede. Já as centrais dotadas de geradores TIPO II experimentaram os piores desempenhos nas análises de regime permanente de curto-circuito, uma vez que em todas as simulações de faltas, os severos afundamentos, as correntes de contribuição elevadas e o aumento expressivo das áreas de vulnerabilidade mostraram o quão sensível é esta tecnologia na presença de distúrbios deste porte. As fazendas eólicas constituídas de aerogeradores TIPO I e TIPO II, de acordo com os resultados das simulações, representaram o meio termo entre as configurações em todos os casos, em outras palavras, os afundamentos das tensões de pós-falta, as correntes de contribuição e as áreas vulnerabilidade assumiram valores um pouco maiores do que na comparação com os PEOL s adotando o TIPO I e, por outro lado, tiveram uma resposta bem mais satisfatória na comparação com parques que dispõe do TIPO II em sua planta. BIBLIOGRAFIA [1] M. H. J. Bollen, Understanding Power Quality Problems voltage sags and interruptions, IEEE press. [2] M. R. Qader and M. H. J. Bollen, Stochastic prediction of voltage sags in a large transmission system, IEEE Trans. Ind. Appl., vol. 35, no. 1, Jan. 1999, pp [3] W. Almeida, F. D. Freitas, Circuitos Polifásicos. Brasília: Gutemberg Ltda, 1995, p [4] Y. G. Painthankar, S. R. Bhide, Fundamentals Oh Power System Protection. New Delhi: Prentice- Hall, 2003, p [5] J. Williams, B. Karlson. Wind Power Plant Short-Circuit Modeling Guide. New Mexico: Sandia National Laboratories, Ago. 2012, p [6] CEPEL Centro de Pesquisas de Enérgia Elétrica, ANAFAS Programa de Análise de Faltas Simultâneas, Manual do Usuário, Versão 6.5, Outubro [7] Acessado em 10/12/