Limites para a integração de usinas ao sistema de distribuição através de uma única linha

Transcrição

1 XVIII Seinário Nacional de Distribuição de Energia Elétrica SENDI 8-6 a 1 de outubro Olinda - Pernabuco - Brasil Liites para a integração de usinas ao sistea de distribuição através de ua única linha Alécio de Melo Oliveira Valter Alves Moreira Anderson Neves Cortez CEMIG Distribuição S.A. CEMIG Geração e CEMIG Distribuição S.A. Transissão S.A. alecio@ceig.co.br valter@ceig.co.br anderson@ceig.co.br Palavras-chave Acesso Conexão de usinas Fluxo de potência Planejaento de sisteas elétricos Resuo Este trabalho te por objetivo apresentar ua avaliação do ipacto da conexão de usinas ao sistea elétrico, quando essa conexão é feita através de ua única linha. É apresentada a etodologia utilizada e u prograa desenvolvido para análise deste tipo de conexão, be coo casos exeplo, conteplando ua variedade de cenários e detalhando os liites de transferência de potência para sisteas de integração de tensões noinais iguais a 13,8; 34,5; 69 e 138 V. 1. Introdução A iplantação de usinas de pequeno e édio porte te sido incentivada, principalente e função de prograas governaentais tais coo PROINFA e Minas PCH. A CEMIG te avaliado a conexão de várias dessas usinas, as quais, e sua aioria, são interligadas ao sistea elétrico através de apenas ua linha de édia tensão (13,8) ou de alta tensão (34,5; 69 ou 138 V). Este tipo de conexão se deve ao fato de uitas usinas estare localizadas longe dos centros de carga e ais próxias a sisteas radiais. A interação entre a usina e o sistea elétrico depende de ua série de fatores, e o bo desepenho do sistea de integração depende da escolha adequada do nível de tensão noinal e tipo de cabo da linha de integração. Parâetros coo a perda ativa na linha, energia reativa drenada do sistea elétrico, restrições de tensão e fator de potência da áquina deve ser avaliados cuidadosaente. E alguns casos observa-se que a conexão de ua usina deanda ua quantidade de energia reativa considerável do sistea elétrico e, eso após tentativas de ajuste dos níveis de tensão da usina, não é possível reduzir esta deanda. 1/9

2 A necessidade de u elhor entendiento sobre esta interação usina/sistea elétrico otivou o desenvolviento de ua aplicação para a análise deste tipo de conexão, peritindo a siulação de ua grande variedade de cenários, considerando variações de tensão, tipo de cabo, nível de perdas e respeitando as restrições de tensão, carregaento e fator de potência.. Sistea de integração de ua usina através de ua única linha A figura 1 apresenta o sistea de integração de ua usina através de ua única linha, destacando as principais variáveis a sere avaliadas. Pot.Injetada Qgerador Vgerador Vusina Vsistea ΔQ Trafo Elevador ΔP, ΔQ Qdrenado Figura 1 Sistea de integração de ua usina através de ua única linha Para a análise da interação entre a usina e o sistea elétrico é priordial o entendiento das variáveis que define o fluxo e ua linha de transissão, confore ostrado a seguir. P Ponto de conexão Sistea Elétrico 3. Fluxo e ua linha de transissão A odelage do fluxo de potência se dá através do desenvolviento das equações de potência ativa e reativa do sistea. Seja a figura a seguir que representa ua linha de transissão, odelo π, interligando duas barras () e () de u sistea qualquer. Linha de Transissão - odelo PI Barra () Barra () V r j x V b j = b sh b j Figura 1 = b sh Onde: V V r x b = Tensão coplexa da barra ; = Tensão coplexa da barra ; = Re sistência série total da linha ( ódulo); Figura Fluxo e ua linha de transissão = Re atância ( indutiva) série total da linha ( ódulo); = Susceptância ( capacitiva) shunt total da linha ( ódulo). /9

3 Para siplificar o equacionaento, deve-se transforar as ipedâncias do sistea nas respectivas aditâncias, da seguinte fora: Y = 1 ( Z ) ( r + jx ) = 1 = ( r r j x = ( G jb ) (1) x + ) ( r + x ) Onde: G = Condutância série da linha; B = Susceptância série da linha. Observa-se no odelo π da linha acia que a susceptância (capacitiva) shunt total é representada por duas parcelas iguais equivalentes a (b/) e cada extreidade da linha. Essa susceptância será denoinada siplesente bsh para siplificar e diferenciar da susceptância série (B). As equações relativas aos fluxos de potência ativa e reativa na linha são ostradas a seguir: P ( V V G Cosθ) ( V V B Senθ) = V G () Q = V ( B + b ) + ( V V B Cosθ) ( V V G Senθ) sh (3) Onde P e Q são, respectivaente, as potências ativa e reativa injetadas na linha a partir do terinal e θ é o ângulo entre a tensão V e a tensão V. Observa-se que a potência ativa injetada na linha a partir do terinal (P ) depende dos ódulos das tensões dos dois terinais da linha (V e V ), do ângulo entre as esas ( θ ) e dos parâetros série da linha (G e B ). A potência reativa injetada na linha depende dos esos fatores e tabé da susceptância shunt (b sh ). 4. Prograa para análise da integração de usinas através de ua única linha Confore ostrado no ite 3, o fluxo e ua linha de transissão depende de ua série de fatores. Para analisar o coportaento do sistea de integração de ua usina através de ua linha e seu ipacto na interface co o restante do sistea elétrico, foi desenvolvido u prograa e ua planilha eletrônica onde fora ipleentados os cálculos de fluxo de acordo co as equações () e (3). Este prograa perite a odelage deste tipo de conexão e a siulação de vários cenários, variando a potência injetada pela usina, as tensões na barra da usina e no ponto de conexão ao sistea elétrico, o cabo da linha de interligação, o copriento e tensão noinal desta linha. Para cada cobinação destes fatores é gerado u registro co as seguintes inforações: - Ângulo entre as tensões da barra da usina e do sistea; - Perda reativa no transforador elevador e na linha; - Perda ativa na linha; - Potência ativa injetada na linha e no ponto de conexão; - Potência reativa injetada ou drenada no gerador, na linha e no ponto de conexão; - Potência aparente na linha; - Fator de potência do gerador e do ponto de conexão; 3/9

4 - Tensões da barra do gerador, barra de alta da usina e do ponto de conexão co o sistea elétrico. O prograa perite a seleção dos dados gerados de acordo co os seguintes critérios: - Faixa de tensão das barras; - Liite de carregaento do cabo; - Perda áxia adissível na linha; - Fator de potência ínio no gerador; - Fator de potência ínio no ponto de conexão. A seguir são apresentados os resultados de siulações utilizando o referido prograa. 5. Siulações Fora realizadas siulações co o objetivo de apresentar ua visão ais geral possível da integração de usinas de pequeno e édio porte através de ua única linha. As preissas adotadas nestas siulações fora as seguintes: - Faixa de tensão na barra de alta da usina :,95pu <= Vusina <= 1,5pu; - Tensões no ponto de conexão (barra do sistea): Vsistea = 1, ; 1,5 e 1,5 pu; - Tensão terinal no gerador: Vgerador <= 1,5 pu; - Fator de potência ínio no gerador: Fp_gerador =,9; - Tensões noinais da linha: 13,8 ; 34,5 ; 69 e 138 Kv; - Potência ativa injetada na linha: 1 MW <= Pinjetada <= Liite da linha; - Capacidade do transforador elevador: Strafo (MVA) = Pinjetada/Fp_gerador; - Reatância do transforador elevador: Xt = 1% na base de potência do transforador; - Copriento da linha: 1 a 1 ; - Cabo: Linnet. O prograa perite a escolha do cabo da linha de interligação, no entanto, para reduzir o núero de cenários foi escolhido o cabo Linnet (17,5 ), cujas capacidades liites são ostradas na tabela a seguir, e função da tensão noinal. Tabela 1 Capacidade da linha x Tensão noinal Cabo Linnet (17,5 ) Capacidade (MVA) x Cabo Tensão de operação (V) 138 V 69 V 34,5 V 13,8 V Linnet (17,5 ) 15, 6,6 31,3 1, Potência Máxia Injetada Prieiraente fora realizadas siulações para se constatar qual a aior potência que poderia ser injetada na linha, considerando-se as restrições de tensão e fator de potência do gerador, independente das perdas ativas na linha e do fator de potência no ponto de conexão co o restante do sistea elétrico. Fora representadas linhas co copriento variando de 1 a 1. 4/9

5 ,8 V Vsistea (pu) Pot. injetada (MW) Perda (MW) 1 1,5 1, ,5 V V V Gráfico 1 - Potência Máxia Injetada Verifica-se que para linhas de copriento igual ou superior a 4 operando e 13,8 V não é possível transitir ua potência correspondente à capacidade do cabo Linnet. A partir deste ponto a potência áxia transitida se reduz consideravelente. Para linhas operando e 34,5 V, este liite ocorre para coprientos iguais ou superiores a 9. No entanto, eso para linhas be enores que estes liites, os níveis de perdas chega a valores uito elevados. Ressalta-se que, co o auento da tensão noinal da linha, o nível de perdas se reduz consideravelente, eso considerando-se aiores valores de potência transitida. Verifica-se tabé que existe pouca variação dos valores potência injetada e perda e função da tensão no ponto de conexão (Vsistea). O Gráfico apresenta os valores de potência reativa fornecida pelo gerador e drenada do sistea elétrico no ponto de conexão, correspondentes às potências injetadas ostradas no Gráfico ,8 V Vsistea (pu) Q drenado (Mvar) 1 1,5 1,5 Q gerador (Mvar) ,5 V Gráfico (continua na próxia pg) 5/9

6 5 69 V V Gráfico - Potência reativa fornecida pelo gerador e drenada do sistea elétrico Observa-se que, e quase todos os cenários siulados, é drenada ua quantidade razoável de energia reativa do sistea elétrico, no ponto de conexão. As únicas situações onde o sistea elétrico recebe energia reativa no ponto de conexão ocorre nos casos de linhas ais curtas, variando de 1 a, dependendo da tensão noinal, quando a tensão no ponto de conexão é igual a 1 pu, ou seja, o enor nível dentre os três siulados. Observa-se que, para linhas ais curtas, existe ua aior sensibilidade da potência reativa no ponto de conexão e no gerador e relação ao nível de tensão do ponto de conexão. Destaca-se tabé o grande núero de situações e que o gerador absorve potência reativa, principalente nas tensões noinais ais elevadas (69 e 138 V). O gráfico 3 apresenta os valores de fator de potência no ponto de conexão. Estes valores fora calculados co base na potência reativa drenada do sistea elétrico e a potência ativa injetada no ponto de conexão, a qual é igual à potência ativa injetada pela áquina enos a perda ativa na linha. 1, 13,8 V 1, 34,5 V 1,,8 FP conexão Vsistea (pu) 1 1,5 1,5 1,,8,6,6,4,4,,,, 1,5 69 V 1,5 138 V 1, 1,,95,95,9,9,85,85,8,8,75,75,7,7,65,65,6,6 Gráfico 3 - Fator de potência no ponto de conexão 6/9

7 Observa-se valores de fator de potência uito baixos, e conseqüência dos elevados valores de potência reativa drenados do sistea elétrico, confore ostrado no gráfico. O gráfico 4 apresenta os níveis de tensão nos terinais do gerador e na barra de alta da usina. Por liitação de espaço, são apresentados apenas os resultados para linhas co tensão noinal igual a 34,5 V. 1,6 1,5 1,4 1,3 1, 1,1 1,99 34,5 V - Vgerador (pu) Vgerador (pu) Vsistea (pu) 1 1,5 1,5 1,6 1,4 1, 1,,98,96,94,9,9 34,5 V - Vusina (pu) Vusina (pu) Vsistea (pu) 1 1,5 1,5 Gráfico 4 - Tensões na barra do gerador e na barra de alta de usina Para linhas enores, observa-se tensões terinais do gerador enores. Co o auento do copriento das linhas, são verificados aiores valores destas tensões, e alguns casos atingindo o liite de 1,5 pu. As variações abruptas nos níveis de tensão se deve ao fato de que o núero de níveis utilizado nas siulações teve que ser liitado, evitando-se assi u tepo de siulação extreaente elevado. A tensão da barra de alta da usina segue u cainho inverso, coeçando e níveis aiores, para linhas pequenas e reduzindo o valor para linhas aiores. A partir de 8, esta tensão atinge o liite inferior estabelecido, que foi de,95 pu. Observa-se que, para linhas ais curtas, existe ua aior sensibilidade das tensões no gerador e barra de alta da usina e relação ao nível de tensão do ponto de conexão, tal coo verificado no fluxo de potência reativa. 5.. Potência áxia injetada considerando restrição de perda ativa áxia O gráfico 5 apresenta os valores de potências áxia injetadas na linha considerando três pataares de perda ativa áxia: 5%, 1 e %. Estes valores fora obtidos para u nível de tensão no ponto de conexão (Vsistea) igual a 1,5 pu. Confore ostrado no ite 5.1, o nível de perdas varia uito pouco co a variação da tensão do ponto de conexão. Ressalta-se que níveis uito elevados de perda tende a tornar inviável econoicaente o epreendiento de construção e integração de ua nova usina. As perdas até o ponto de conexão são de responsabilidade do epreendedor. 7/9

8 14 13,8 V 35 34,5 V Perda Máx (%) Pot. injetada (MW) Perda (MW) V V Gráfico 5-Potência áxia injetada considerando restrição de perda ativa áxia (Vsistea=1,5 pu) Coo exeplo, ua usina de 15 MW localizada a 4 do sistea elétrico poderá ter sua potência escoada por ua linha de 34,5 V (cabo Linnet), co u nível de perdas igual a 1%. Caso se opte pela transissão e 69 V, o nível de perdas será reduzido para be enos que 5%.,95 13,8 V 1, 34,5 V,9,95,85,8,75,7,65 Perda Máx (%) FP conexão ) 5 1,9,85,8,75,7,65,6,6,95 69 V, V,9,9,85,85,8,8,75,75,7,7,65,65,6,6 Gráfico 6 - Fator de potência no ponto de conexão - considerando restrição de perda ativa áxia 8/9

9 Observa-se que os fatores de potência ainda continuara relativaente baixos, principalente para as siulações co aiores níveis de perda. Nestes casos pode-se tornar necessária a iplantação de equipaentos de copensação reativa, para evitar que a conexão da usina resulte e degradação dos níveis de tensão e outros pontos do sistea. 6. Conclusões e recoendações A iplantação de usinas de pequeno e édio porte te sido increentada, e u núero considerável destas integrações se dá através de ua única linha de distribuição de édia tensão ou alta tensão. Neste trabalho foi apresentada a etodologia utilizada no desenvolviento de u prograa para a análise deste tipo de integração. Fora apresentados tabé os resultados de siulações, destacando os liites de transferência de potência para quatro níveis de tensão noinal (13,8; 34,5; 69 e 138 V), considerando as restrições de tensão nas barras do sistea de integração e níveis de perdas. Os resultados apresentados perite a visualização de situações probleáticas para o sistea elétrico, tais coo elevado nível de perdas na linha de conexão e elevada energia reativa absorvida do sistea elétrico. Nestes casos é necessário reavaliar os parâetros do sistea de conexão, principalente o cabo e/ou a tensão da linha de integração. É iportante destacar que este tipo de análise não te por objetivo substituir a análise copleta do ipacto da integração da usina no sistea elétrico. O estudo copleto exige a representação detalhada do sistea elétrico e avaliação da necessidade de reforços para a iplantação da usina. No entanto, os resultados apresentados fornece ua visão geral da conexão e serve de subsídio para a definição de alternativas, a sere avaliadas no estudo detalhado. 7. Referências bibliográficas 1 STEVENSON, G, GRAINGER, J. Power Syste Analysis; McGraw-Hill, Inc.New Yor, p. 9/9