Estabilidade de Sistemas de Potência a Pequenas Perturbações
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- Mônica Lagos Gomes
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1 Estabilidade de Sistemas de Potência a Pequenas Perturbações Prof. Antonio Simões Costa Grupo Sist. Potência - UFSC A. Simões Costa (GSP/UFSC) Estab. a Peqs. Perturbs. 1 / 12
2 Equação de Oscilação para o Caso Máquina-Barra In nita Pequenas Perturbações A equação de oscilação para o caso máquina-barra in nita com δ em radianos é 2H E V δ = P m sen δ ω s x eq A. Simões Costa (GSP/UFSC) Estab. a Peqs. Perturbs. 2 / 12
3 Equação de Oscilação para o Caso Máquina-Barra In nita Pequenas Perturbações A equação de oscilação para o caso máquina-barra in nita com δ em radianos é 2H E V δ = P m sen δ ω s x eq Supondo que P m sofre uma pequena perturbação P m em relação ao valor de regime P 0 m, ou seja: P m = P 0 m + P m, A. Simões Costa (GSP/UFSC) Estab. a Peqs. Perturbs. 2 / 12
4 Equação de Oscilação para o Caso Máquina-Barra In nita Pequenas Perturbações A equação de oscilação para o caso máquina-barra in nita com δ em radianos é 2H E V δ = P m sen δ ω s x eq Supondo que P m sofre uma pequena perturbação P m em relação ao valor de regime P 0 m, ou seja: P m = P 0 m + P m, o ângulo do rotor sofrerá uma perturbação δ, o que provocará por sua vez uma variação em P e em relação ao seu valor de regime P 0 e. A. Simões Costa (GSP/UFSC) Estab. a Peqs. Perturbs. 2 / 12
5 Linearização da Equação de Oscilação Face à pequena perturbação, a variação de P e pode ser determinada via expansão em série de Taylor truncada no termo de 1a. ordem: P e Pe 0 + P e EV δ δ = Pe 0 + cos δ 0 δ δ=δ0 x eq A. Simões Costa (GSP/UFSC) Estab. a Peqs. Perturbs. 3 / 12
6 Linearização da Equação de Oscilação Face à pequena perturbação, a variação de P e pode ser determinada via expansão em série de Taylor truncada no termo de 1a. ordem: P e Pe 0 + P e EV δ δ = Pe 0 + cos δ 0 δ δ=δ0 x eq O coe ciente entre parênteses é o Coe ciente de Potência Sincronizante, K s : K s = EV x eq cos δ 0 A. Simões Costa (GSP/UFSC) Estab. a Peqs. Perturbs. 3 / 12
7 Linearização da Equação de Oscilação Face à pequena perturbação, a variação de P e pode ser determinada via expansão em série de Taylor truncada no termo de 1a. ordem: P e Pe 0 + P e EV δ δ = Pe 0 + cos δ 0 δ δ=δ0 x eq O coe ciente entre parênteses é o Coe ciente de Potência Sincronizante, K s : K s = EV x eq cos δ 0 Logo: P e = P 0 e + K s δ A. Simões Costa (GSP/UFSC) Estab. a Peqs. Perturbs. 3 / 12
8 Linearização da Equação de Oscilação Face à pequena perturbação, a variação de P e pode ser determinada via expansão em série de Taylor truncada no termo de 1a. ordem: P e Pe 0 + P e EV δ δ = Pe 0 + cos δ 0 δ δ=δ0 x eq O coe ciente entre parênteses é o Coe ciente de Potência Sincronizante, K s : K s = EV x eq cos δ 0 Logo: P e = P 0 e + K s δ e a equação de balanço de torques para pequenas perturbações torna-se: 2H d 2 ω s dt 2 ( δ) + K s δ = P m A. Simões Costa (GSP/UFSC) Estab. a Peqs. Perturbs. 3 / 12
9 Equação Característica Considerando M = 2H/ω s, temos: M d 2 dt 2 ( δ) + K s δ = P m A. Simões Costa (GSP/UFSC) Estab. a Peqs. Perturbs. 4 / 12
10 Equação Característica Considerando M = 2H/ω s, temos: M d 2 dt 2 ( δ) + K s δ = P m Aplicando a transformada de Laplace, obtemos: M s 2 + K s δ(s) = Pm (s) + M s δ(0 + ) + M δ 0 (0 + ) A. Simões Costa (GSP/UFSC) Estab. a Peqs. Perturbs. 4 / 12
11 Equação Característica Considerando M = 2H/ω s, temos: M d 2 dt 2 ( δ) + K s δ = P m Aplicando a transformada de Laplace, obtemos: M s 2 + K s δ(s) = Pm (s) + M s δ(0 + ) + M δ 0 (0 + ) As raízes da equação característica M s 2 + K s = 0 são: r s 1,2 = Ks M A. Simões Costa (GSP/UFSC) Estab. a Peqs. Perturbs. 4 / 12
12 Equação Característica Considerando M = 2H/ω s, temos: M d 2 dt 2 ( δ) + K s δ = P m Aplicando a transformada de Laplace, obtemos: M s 2 + K s δ(s) = Pm (s) + M s δ(0 + ) + M δ 0 (0 + ) As raízes da equação característica M s 2 + K s = 0 são: r s 1,2 = K s < 0 ) pólos reais e simétricos em relação à origem.) sistema monotonicamente instável; Ks M A. Simões Costa (GSP/UFSC) Estab. a Peqs. Perturbs. 4 / 12
13 Equação Característica Considerando M = 2H/ω s, temos: M d 2 dt 2 ( δ) + K s δ = P m Aplicando a transformada de Laplace, obtemos: M s 2 + K s δ(s) = Pm (s) + M s δ(0 + ) + M δ 0 (0 + ) As raízes da equação característica M s 2 + K s = 0 são: r s 1,2 = K s < 0 ) pólos reais e simétricos em relação à origem.) sistema monotonicamente instável; K s > 0 ) ambas as raízes imaginárias ) sistema oscilatório sem amortecimento, com freqüência natural igual a: ω n = r Ks M = Ks M s EV cos δ 0 x eq M rad/s A. Simões Costa (GSP/UFSC) Estab. a Peqs. Perturbs. 4 / 12
14 Efeito do Amortecimento Efeitos amortecedores devido à variação dos enlaces de uxo com o rotor do gerador e às cargas foram até agora ignorados; A. Simões Costa (GSP/UFSC) Estab. a Peqs. Perturbs. 5 / 12
15 Efeito do Amortecimento Efeitos amortecedores devido à variação dos enlaces de uxo com o rotor do gerador e às cargas foram até agora ignorados; Cargas reais são normalmente sensíveis à freqüência: A. Simões Costa (GSP/UFSC) Estab. a Peqs. Perturbs. 5 / 12
16 Efeito do Amortecimento Efeitos amortecedores devido à variação dos enlaces de uxo com o rotor do gerador e às cargas foram até agora ignorados; Cargas reais são normalmente sensíveis à freqüência: quando a freqüência aumenta (dδ / dt > 0), a potência exigida pela carga aumenta proporcionalmente; A. Simões Costa (GSP/UFSC) Estab. a Peqs. Perturbs. 5 / 12
17 Efeito do Amortecimento Efeitos amortecedores devido à variação dos enlaces de uxo com o rotor do gerador e às cargas foram até agora ignorados; Cargas reais são normalmente sensíveis à freqüência: quando a freqüência aumenta (dδ / dt > 0), a potência exigida pela carga aumenta proporcionalmente; Se dδ / dt < 0, a potência da carga se reduz na mesma proporção; A. Simões Costa (GSP/UFSC) Estab. a Peqs. Perturbs. 5 / 12
18 Efeito do Amortecimento Efeitos amortecedores devido à variação dos enlaces de uxo com o rotor do gerador e às cargas foram até agora ignorados; Cargas reais são normalmente sensíveis à freqüência: quando a freqüência aumenta (dδ / dt > 0), a potência exigida pela carga aumenta proporcionalmente; Se dδ / dt < 0, a potência da carga se reduz na mesma proporção; Para pequenas perturbações, esta sensibilidade pode ser aproximadamente representada por um efeito linear: P d = K d d( δ) dt A. Simões Costa (GSP/UFSC) Estab. a Peqs. Perturbs. 5 / 12
19 Efeito do Amortecimento Efeitos amortecedores devido à variação dos enlaces de uxo com o rotor do gerador e às cargas foram até agora ignorados; Cargas reais são normalmente sensíveis à freqüência: quando a freqüência aumenta (dδ / dt > 0), a potência exigida pela carga aumenta proporcionalmente; Se dδ / dt < 0, a potência da carga se reduz na mesma proporção; Para pequenas perturbações, esta sensibilidade pode ser aproximadamente representada por um efeito linear: P d = K d d( δ) dt Considerando o amortecimento, a equação de balanço de torques linearizada torna-se: M d 2 dt 2 ( δ) + K d d( δ) dt + K s δ = P m A. Simões Costa (GSP/UFSC) Estab. a Peqs. Perturbs. 5 / 12
20 Equação Característica Considerando o Amortecimento Equação de balanço de torques linearizada na presença do amortecimento: M d 2 dt 2 ( δ) + K d( δ) d + K s δ = P m dt A. Simões Costa (GSP/UFSC) Estab. a Peqs. Perturbs. 6 / 12
21 Equação Característica Considerando o Amortecimento Equação de balanço de torques linearizada na presença do amortecimento: M d 2 dt 2 ( δ) + K d( δ) d + K s δ = P m dt Equação característica correspondente: M s 2 + K d s + K s = 0 A. Simões Costa (GSP/UFSC) Estab. a Peqs. Perturbs. 6 / 12
22 Equação Característica Considerando o Amortecimento Equação de balanço de torques linearizada na presença do amortecimento: M d 2 dt 2 ( δ) + K d( δ) d + K s δ = P m dt Equação característica correspondente: M s 2 + K d s + K s = 0 Para estabilidade, todos os coe cientes da equação característica devem ser positivos ) K s e K d têm que ser ambos > 0; A. Simões Costa (GSP/UFSC) Estab. a Peqs. Perturbs. 6 / 12
23 Equação Característica Considerando o Amortecimento Equação de balanço de torques linearizada na presença do amortecimento: M d 2 dt 2 ( δ) + K d( δ) d + K s δ = P m dt Equação característica correspondente: M s 2 + K d s + K s = 0 Para estabilidade, todos os coe cientes da equação característica devem ser positivos ) K s e K d têm que ser ambos > 0; Sistema estável: resposta no tempo a degrau de pot. mecânica p: δ(t) = p 1 1 β e ζω nt sen (ω n βt + θ) A. Simões Costa (GSP/UFSC) Estab. a Peqs. Perturbs. 6 / 12
24 Equação Característica Considerando o Amortecimento Equação de balanço de torques linearizada na presença do amortecimento: M d 2 dt 2 ( δ) + K d( δ) d + K s δ = P m dt Equação característica correspondente: M s 2 + K d s + K s = 0 Para estabilidade, todos os coe cientes da equação característica devem ser positivos ) K s e K d têm que ser ambos > 0; Sistema estável: resposta no tempo a degrau de pot. mecânica p: δ(t) = p 1 1 β e ζω nt sen (ω n βt + θ) onde ζ (razão de amortecimento), β e θ são dados por: q ζ = K d 2 p K s M ; β = 1 ζ 2 ; θ = tg 1 (β/ζ). A. Simões Costa (GSP/UFSC) Estab. a Peqs. Perturbs. 6 / 12
25 Resposta no Tempo Resposta de um gerador ligado a barra in nita a um degrau de 0, 01 pu, com ω n = 1, 0 Hz e ζ = 0, 15: A. Simões Costa (GSP/UFSC) Estab. a Peqs. Perturbs. 7 / 12
26 Observações Em sistemas de potência, a razão de amortecimento costuma ter valor baixo ) freqüência não-amortecida ω p = ω n β = ω n q1 ζ 2 é muito aproximadamente igual à freqüência natural ω n ; A. Simões Costa (GSP/UFSC) Estab. a Peqs. Perturbs. 8 / 12
27 Observações Em sistemas de potência, a razão de amortecimento costuma ter valor baixo ) freqüência não-amortecida ω p = ω n β = ω n q1 ζ 2 é muito aproximadamente igual à freqüência natural ω n ; Valores típicos de ω n para o caso máquina-barra in nita situam-se no entorno de 1 Hz; A. Simões Costa (GSP/UFSC) Estab. a Peqs. Perturbs. 8 / 12
28 Observações Em sistemas de potência, a razão de amortecimento costuma ter valor baixo ) freqüência não-amortecida ω p = ω n β = ω n q1 ζ 2 é muito aproximadamente igual à freqüência natural ω n ; Valores típicos de ω n para o caso máquina-barra in nita situam-se no entorno de 1 Hz; Esta freqüência caracteriza o chamado modo local de oscilação: máquina oscilando contra o resto do sistema elétrico; A. Simões Costa (GSP/UFSC) Estab. a Peqs. Perturbs. 8 / 12
29 Observações Em sistemas de potência, a razão de amortecimento costuma ter valor baixo ) freqüência não-amortecida ω p = ω n β = ω n q1 ζ 2 é muito aproximadamente igual à freqüência natural ω n ; Valores típicos de ω n para o caso máquina-barra in nita situam-se no entorno de 1 Hz; Esta freqüência caracteriza o chamado modo local de oscilação: máquina oscilando contra o resto do sistema elétrico; No caso de oscilações de um grande sistema contra outro ao qual está conectado (por exemplo, Sistema Sul contra Sistema SE), temos o chamado modo inter-área; A. Simões Costa (GSP/UFSC) Estab. a Peqs. Perturbs. 8 / 12
30 Observações Em sistemas de potência, a razão de amortecimento costuma ter valor baixo ) freqüência não-amortecida ω p = ω n β = ω n q1 ζ 2 é muito aproximadamente igual à freqüência natural ω n ; Valores típicos de ω n para o caso máquina-barra in nita situam-se no entorno de 1 Hz; Esta freqüência caracteriza o chamado modo local de oscilação: máquina oscilando contra o resto do sistema elétrico; No caso de oscilações de um grande sistema contra outro ao qual está conectado (por exemplo, Sistema Sul contra Sistema SE), temos o chamado modo inter-área; Freqüência característica do modo inter-área: substancialmente menor que a do modo local, na faixa de 0, 5 Hz (observe que ω n é inversamente proporcional a p M!). A. Simões Costa (GSP/UFSC) Estab. a Peqs. Perturbs. 8 / 12
31 Interpretação do Coe ciente de Potência Sincronizante Requisito para a estabilidade em regime permanente: K s = EV x eq cos δ 0 > 0 A. Simões Costa (GSP/UFSC) Estab. a Peqs. Perturbs. 9 / 12
32 Interpretação do Coe ciente de Potência Sincronizante Requisito para a estabilidade em regime permanente: Isto signi ca que: K s = EV x eq cos δ 0 > 0 A. Simões Costa (GSP/UFSC) Estab. a Peqs. Perturbs. 9 / 12
33 Interpretação do Coe ciente de Potência Sincronizante Requisito para a estabilidade em regime permanente: Isto signi ca que: K s = EV x eq cos δ 0 > 0 se δ sofre uma perturbação positiva δ (aumento de δ!) ) potência elétrica aumenta ) rotor da máquina desacelera ) δ tende a diminuir; A. Simões Costa (GSP/UFSC) Estab. a Peqs. Perturbs. 9 / 12
34 Interpretação do Coe ciente de Potência Sincronizante Requisito para a estabilidade em regime permanente: Isto signi ca que: K s = EV x eq cos δ 0 > 0 se δ sofre uma perturbação positiva δ (aumento de δ!) ) potência elétrica aumenta ) rotor da máquina desacelera ) δ tende a diminuir; se a δ for negativo ( no sentido da redução de δ) ) P e diminui ) rotor acelera ) δ tende a aumentar. A. Simões Costa (GSP/UFSC) Estab. a Peqs. Perturbs. 9 / 12
35 Interpretação na Curva Potência-Ângulo Pe Pmáx B" Pm,A A' B B' Pm,B A" A δ A δ B δ Variações de δ : positivas (A 0 e B 0 ) ou negativas (A 00 e B 00 ); A. Simões Costa (GSP/UFSC) Estab. a Peqs. Perturbs. 10 / 12
36 Interpretação na Curva Potência-Ângulo Pe Pmáx B" Pm,A A' B B' Pm,B A" A δ A δ B δ Variações de δ : positivas (A 0 e B 0 ) ou negativas (A 00 e B 00 ); Ponto de operação A : estável (pois K s > 0); A. Simões Costa (GSP/UFSC) Estab. a Peqs. Perturbs. 10 / 12
37 Interpretação na Curva Potência-Ângulo Pe Pmáx B" Pm,A A' B B' Pm,B A" A δ A δ B δ Variações de δ : positivas (A 0 e B 0 ) ou negativas (A 00 e B 00 ); Ponto de operação A : estável (pois K s > 0); Ponto B é instável. A. Simões Costa (GSP/UFSC) Estab. a Peqs. Perturbs. 10 / 12
38 O Torque de Amortecimento (I) Métodos clássicos de avaliação da estabilidade em regime permanente concentram-se na análise dos torques de sincronização (proporcionais ao ângulo de torque δ); A. Simões Costa (GSP/UFSC) Estab. a Peqs. Perturbs. 11 / 12
39 O Torque de Amortecimento (I) Métodos clássicos de avaliação da estabilidade em regime permanente concentram-se na análise dos torques de sincronização (proporcionais ao ângulo de torque δ); Entretanto, os torques de amortecimento (proporcionais à velocidade δ) são igualmente importantes: K d deve ser também > 0 para estabilidade!; A. Simões Costa (GSP/UFSC) Estab. a Peqs. Perturbs. 11 / 12
40 O Torque de Amortecimento (I) Métodos clássicos de avaliação da estabilidade em regime permanente concentram-se na análise dos torques de sincronização (proporcionais ao ângulo de torque δ); Entretanto, os torques de amortecimento (proporcionais à velocidade δ) são igualmente importantes: K d deve ser também > 0 para estabilidade!; Tecnologia de eletrônica de potência nos sistemas de excitação ) redução acentuada dos tempos de resposta das excitatrizes: A. Simões Costa (GSP/UFSC) Estab. a Peqs. Perturbs. 11 / 12
41 O Torque de Amortecimento (I) Métodos clássicos de avaliação da estabilidade em regime permanente concentram-se na análise dos torques de sincronização (proporcionais ao ângulo de torque δ); Entretanto, os torques de amortecimento (proporcionais à velocidade δ) são igualmente importantes: K d deve ser também > 0 para estabilidade!; Tecnologia de eletrônica de potência nos sistemas de excitação ) redução acentuada dos tempos de resposta das excitatrizes: Bene cio quanto à manutenção da estabilidade transitória; A. Simões Costa (GSP/UFSC) Estab. a Peqs. Perturbs. 11 / 12
42 O Torque de Amortecimento (I) Métodos clássicos de avaliação da estabilidade em regime permanente concentram-se na análise dos torques de sincronização (proporcionais ao ângulo de torque δ); Entretanto, os torques de amortecimento (proporcionais à velocidade δ) são igualmente importantes: K d deve ser também > 0 para estabilidade!; Tecnologia de eletrônica de potência nos sistemas de excitação ) redução acentuada dos tempos de resposta das excitatrizes: Bene cio quanto à manutenção da estabilidade transitória; Por outro lado, surge como efeito colateral a redução dos torques de amortecimento do sistema; A. Simões Costa (GSP/UFSC) Estab. a Peqs. Perturbs. 11 / 12
43 O Torque de Amortecimento (I) Métodos clássicos de avaliação da estabilidade em regime permanente concentram-se na análise dos torques de sincronização (proporcionais ao ângulo de torque δ); Entretanto, os torques de amortecimento (proporcionais à velocidade δ) são igualmente importantes: K d deve ser também > 0 para estabilidade!; Tecnologia de eletrônica de potência nos sistemas de excitação ) redução acentuada dos tempos de resposta das excitatrizes: Bene cio quanto à manutenção da estabilidade transitória; Por outro lado, surge como efeito colateral a redução dos torques de amortecimento do sistema; Em sistemas com linhas de transmissão longas, situações de baixo amortecimento tendem a se manifestar em condições de carga pesada; A. Simões Costa (GSP/UFSC) Estab. a Peqs. Perturbs. 11 / 12
44 O Torque de Amortecimento (I) Métodos clássicos de avaliação da estabilidade em regime permanente concentram-se na análise dos torques de sincronização (proporcionais ao ângulo de torque δ); Entretanto, os torques de amortecimento (proporcionais à velocidade δ) são igualmente importantes: K d deve ser também > 0 para estabilidade!; Tecnologia de eletrônica de potência nos sistemas de excitação ) redução acentuada dos tempos de resposta das excitatrizes: Bene cio quanto à manutenção da estabilidade transitória; Por outro lado, surge como efeito colateral a redução dos torques de amortecimento do sistema; Em sistemas com linhas de transmissão longas, situações de baixo amortecimento tendem a se manifestar em condições de carga pesada; Oscilações sustentadas dos uxos de potência nas linhas ) possível atuação da proteção ) saída de operação de linhas de transmissão importantes. A. Simões Costa (GSP/UFSC) Estab. a Peqs. Perturbs. 11 / 12
45 O Torque de Amortecimento (II) Dilema: como manter os benefícios dos sistemas de excitação rápidos e ainda dispor de amortecimento su ciente para operação segura em regime permanente? A. Simões Costa (GSP/UFSC) Estab. a Peqs. Perturbs. 12 / 12
46 O Torque de Amortecimento (II) Dilema: como manter os benefícios dos sistemas de excitação rápidos e ainda dispor de amortecimento su ciente para operação segura em regime permanente? Solução: so sticação dos controles ligados ao sistema de excitação. A. Simões Costa (GSP/UFSC) Estab. a Peqs. Perturbs. 12 / 12
47 O Torque de Amortecimento (II) Dilema: como manter os benefícios dos sistemas de excitação rápidos e ainda dispor de amortecimento su ciente para operação segura em regime permanente? Solução: so sticação dos controles ligados ao sistema de excitação. Introdução de malhas de controle e dispositivos adicionais para produção de torque de amortecimento capaz de assegurar rápida absorção das oscilações de ângulo que sucedem às variações normais de carga; A. Simões Costa (GSP/UFSC) Estab. a Peqs. Perturbs. 12 / 12
48 O Torque de Amortecimento (II) Dilema: como manter os benefícios dos sistemas de excitação rápidos e ainda dispor de amortecimento su ciente para operação segura em regime permanente? Solução: so sticação dos controles ligados ao sistema de excitação. Introdução de malhas de controle e dispositivos adicionais para produção de torque de amortecimento capaz de assegurar rápida absorção das oscilações de ângulo que sucedem às variações normais de carga; Tais dispositivos são chamados Estabilizadores de Sistemas de Potência (ESPs); A. Simões Costa (GSP/UFSC) Estab. a Peqs. Perturbs. 12 / 12
49 O Torque de Amortecimento (II) Dilema: como manter os benefícios dos sistemas de excitação rápidos e ainda dispor de amortecimento su ciente para operação segura em regime permanente? Solução: so sticação dos controles ligados ao sistema de excitação. Introdução de malhas de controle e dispositivos adicionais para produção de torque de amortecimento capaz de assegurar rápida absorção das oscilações de ângulo que sucedem às variações normais de carga; Tais dispositivos são chamados Estabilizadores de Sistemas de Potência (ESPs); O projeto integrado de ESPs em sistemas de grande porte é problema importante e atual para os engenheiros de controle das empresas geradoras de energia elétrica A. Simões Costa (GSP/UFSC) Estab. a Peqs. Perturbs. 12 / 12
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