EEE934 Impactode GD àsredes Elétricas (

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1 Universidade Federal de Minas Gerais Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica Área de Concentração: Engenharia de Potência EEE934 Impactode GD àsredes Elétricas ( Prof. Selênio Rocha Silva Prof. Wadaed Uturbey da Costa Departamento de Engenharia Elétrica - UFMG - Dezembro de Impactos das GD nas Redes Elétricas 1 2/12/212

2 Emissividade: distúrbios gerados pelos aerogeradores afetando as redes elétricas; Susceptibilidade: distúrbios existentes nas redes elétricas afetando os aerogeradores.

3 Emissividade: Variações de potência ativa e reativa; Flutuações de potência ativa e reativa; Harmônicos e interharmônicos; Susceptibilidade: Afundamentos de tensão devido a faltas.

4 Opções de Conexão nas Redes

5 ICG: Instalação de Transmissão de Interesse Exclusivo de Centrais de Geração para Conexão Compartilhada!

6 Carregamento de Linhas e Trafos Linhas de transmissão adicionais devem ser planejadas com critérios bem definidos, considerando dimensão e localização da usina eólica; Estudos de fluxo de carga devem considerar os cenários: Nível de carga (leve e alta) Nível de vento(alto/médio/baixo) Deve-se evitar investimentos com baixa utilização: análise probabilística Avaliaro carregamentodinâmicodas linhas: associandocapacidadede corrente com velocidade de vento.

7 Carregamento de Linhas e Trafos

8 Carregamento de Linhas e Trafos

9 Carregamento de Linhas e Trafos Mitigaçãodo problema: Construir uma nova linha; Limitar a geração durante todo tempo em 8%; Limitar a geração em caso de contingência (atuação manual ou automática); Considere as capacidades de sobrecarga dinâmicas da linha.

10 Impacto no perfil de tensão Redes de Distribuição: Grandes variações de tensão em função dos MW gerados devido as baixas relações X/R (grandes R); Redes de Transmissão: menores variações de tensão devido a altas relações X/R, contudo casos de contingências se tornam mais relevantes; Alternativas de mitigação: Característica Q(P) do sistema (soluções em malha aberta) Controle de tensão. Importância de um código de rede prever a solução.

11 Impacto no perfil de tensão

12 Impacto no perfil de tensão O projetoda usinaeólicadeveconsiderarosrequisitosde potênciareativa; A capacidade de fornecer potência reativa no ponto de acoplamento depende de: capacidade de fornecimento dos aerogeradores; capacidades térmicas dos cabos internos da usina. variações de tensão admissiveis na baixa tensão da usina. Requisitosparaequipamentosde compensaçãode reativos(statcom, reatores chaveados, etc.) devem ser baseados em: capacidade de potência reativa requerida; desempenho dinâmico requerido do controle de tensão/potência reativa.

13 Contribuição ao Curto-Circuito Cálculo das máximas correntes de curto: Impacto nas capacidades dos equipamentos existentes (subestações, disjuntores, cabos e linhas, transformadores, etc.) Impacto nos novos equipamentos internos à usina eólica; Cálculo das mínimas correntes de curto: Verificação dos ajustes de proteção.

14 Contribuição ao Curto-Circuito do Aerogerador DFIG 2/12/212 14

15 Contribuição ao Curto-Circuito Em aerogeradores DFIG e com conversores plenos os dispositivos são controladosemcorrente. DFIG é usualmente equipado com dispositivos de proteção(crow-bar, Chopper), que fazem as correntess de curto-circuito se tornarem altamente não-linear; Dificuldadede modelagemdestesequipamentosemestudosde regime permanente de curto-circuito, que são tipicamente baseados em equivalentes Thevenin. Não consideração especial na IEC 699 para aerogeradores. Esquema usualmente sugerido: Considerarum equivalentemáquinasíncrona: caracterizandoosas correntesde curto por parâmetros típicos subtransitórios e transitórios.

16 Contribuição ao Curto-Circuito Modelos sugeridos por Boutsika and Papathanassiou* (28): Aerogerador de indução em gaiola: utilizar modelo motor da IEC699, considerando o transformador de conexão; Aerogerador de indução duplamente alimentado: usar modelo de gerador de indução em gaiola; Aerogerador com conversor pleno: a contribuição deve considerar 15 a 2% da corrente nominal do conversor. * Th. Boutsika, S.A. Papathanassiou, Short Circuit Calculations in Networks with Distributed Generation. Electric Power Systems Research, Vol. 78, No. 7, July 28, pp

17 Qualidade da Energia Elétrica Flutuação de tensão por Operação contínua por Operação chaveada(wtgs, Inrush) Harmônicos emissões de harmônicos impacto na impedância harmônica do sistema: cabos, capacitores, geradores etc.

18 Qualidade da Energia Elétrica Origens de Flutuações de Tensão: Variações estocásticas naturais de velocidade de vento e os efeitos de interferência de turbinas próximas; Efeito do sombreamento de torre; Efeito do gradiente de vento; Efeito do balanceamento das massas girantes; Efeito de variação do ângulo de guinada ( yaw ); Oscilações torcionais; Conexões e desconexões de grupos geradores e/ou bancos de capacitores em usinas eólicas.

19 FLUTUAÇÃO DE POTÊNCIA Qualidade da Energia Elétrica Origens de potência flutuante da Turbina Eólica Freqüência de flutuação: Três oscilações por volta x 6Hz / (número de par de pólos x Relação de transmissão ); Amplitude: perda de cerca de 1 a 2% de potência Sombreamento de Torre

20 FLUTUAÇÃO DE POTÊNCIA Qualidade da Energia Elétrica Origens de potência flutuante na Turbina Eólica a.) regime contínuo b.) em chaveamento Flutuações de Tensão

21 FLUTUAÇÃO DE POTÊNCIA Desempenho de tecnologias: Qualidade da Energia Elétrica GI em gaiola (velocidade constante): pior tecnologia; DFIG: baixa potência do conversor e menor energia armazenada no elo CC; GS ou GSIP com conversor pleno: melhor tecnologia Armazenamento energético: Inércia das massas e capacitor CC

22 Qualidade da Energia Elétrica FLUTUAÇÃO DE POTÊNCIA Métodos de cálculo e medição Seguir detalhadamente a norma IEC : Recentemente traduzida para uma versão ABNT.

23 Qualidade da Energia Elétrica FLUTUAÇÃO DE POTÊNCIA Exemplos

24 Qualidade da Energia Elétrica Emissões de harmônicos são causadas por: Conversores eletrônicos de potência Modernos conversores PWM produz também harmônicos de alta ordem Efeitos de saturação(gerador, Transformador) Emissões de inter-harmônicos: ConversoresPWM com frequênciade chaveamentodiferentede múltiplosda frequência da rede; Conversões estator-rotor no DFIG; Efeitos As distorções de tensão dependem da impedância da rede; Ocorrência de problemas de ressonância; Normas: IEC , IEC

25 Qualidade da Energia Elétrica Conversores fonte de tensão: impedânciade acoplamentoe osfiltrosé o caminhoparaos harmônicosde altafrequência; paraosharmônicosde baixaordem: a função de transferência dos controladores é importante; Efeito: Mudança nas frequência de ressonância; Possibilidade de amortecimento dos harmônicos. Capacitância dos cabos e elementos internos. Efeito: Mudança nas frequência de ressonância Amplificação da distorção harmônica.

26 Qualidade da Energia Elétrica HARMÔNICOS E INTER-HARMÔNICOS Fontes de harmônicos Harmônicos inerentes ao conversor: Na configuração com GI gaiola: não há harmônicos Conversor PWM: harmônicos na freqüência de chaveamento Na configuração com DFIG: inter-harmônicos!! Harmônicos e inter-harmônicos devido a ação de controle Harmônicos e inter-harmônicos causados por não idealidades do conversor PWM: desbalanceamentos e tempo-morto.

27 Requisitos de Suportabilidade a AMT s Requisitos Básicos de Suportabilidade: Os aerogeradores nãodevemse desconectaremcasosde afundamentos de tensão; Os aerogeradores devem voltar rapidamente a gerar potência ativa Requisitos Avançados de Suportabilidade: Os aerogeradores devem injetar corrente reativa durante a falta (suporte de tensão); Os aerogeradores nãodevemconsumirreativosdurantea recuperação de tensão.

28 Requisitos de Suportabilidade a AMT s Amplitude (pu-rms) Amplitude (pu-rms) Correntes no primário RMS Tensões no primário RMS Correntes no Secundário RMS Tensoes no Secundário RMS Tempo(s) Gerador de Indução em Gaiola AMT trifásico2%, 2ms, 1% de produção, RCC = 2

29 Requisitos de Suportabilidade a AMT s Amplitude (pu-rms) Amplitude (pu-rms) Amplitude (pu-rms) Amplitude (pu-rms) 5 Correntes no primario RMS.2.4 tensoes.6no primario.8 RMS Correntes.6 no Secundario.8 RMS tensoes.6 no Secundario.8 RMS Tempo(s) Gerador de Indução em Gaiola AMT fase-fase2%, 2ms, 1% de produção, RCC = 2

30 Requisitos de Suportabilidade a AMT s Amplitude (pu-rms) Amplitude (pu-rms) Amplitude (pu-rms) Amplitude (pu-rms) 2 1 Correntes no primario RMS.2.4 tensoes.6no primario.8 RMS Correntes.6 no Secundario.8 RMS tensoes.6 no Secundario.8 RMS Tempo(s) Gerador Sincrono com Conversor Pleno AMT trifásico2%, 2ms, 1% de produção, RCC = 2 Obs.: Correntecresceatéo limitede corrente do inversor, e controle de corrente mantem corrente constante.

31 Requisitos de Suportabilidade a AMT s Amplitude (pu-rms) Amplitude (pu-rms) Amplitude (pu-rms) Amplitude (pu-rms) 2 1 Correntes no primario RMS.2.4 tensoes.6no primario.8 RMS Correntes.6 no Secundario.8 RMS tensoes.6 no Secundario.8 RMS Tempo(s) Gerador Síncrono com Conversor Pleno AMT fase-fase2%, 2ms, 1% de produção, RCC = 2 Obs.: Correntecresceatéo limitede corrente do inversor, e controle de corrente mantem corrente constante.

32 Suportabilidade a AMT s Tecnologia gerador de indução duplamente alimentado (experimentos): Phase A Rotor Current 1 3 Stator Voltage Current (A) Voltage (V) Time (s) ABC Stator Current Time (s) 5 Current (A) Time (s)

33 Suportabilidade a AMT s Quanto ao comportamento durante o AMT DFIG depende da região de operação subsíncronaou supersíncrona: Sobretensão ou subtensão na barra CC; Sobrecorrente no conversor de rotor obriga o desligamento do aerogerador; GI velocidade constante: instabilidade eletromecânica GS ou GSIP (conversor plena potência): maior capacidade de ride through ; Soluções de aumentar a suportabilidade a afundamentos: Crow bar; Chopper de descarga; Controle de passo. Estratégias de controle.

34 Dados de um Aerogerador Fabricado no Brasil

35 Dados de um Aerogerador Fabricado no Brasil Generator Rectifier GS Control O aerogerador na Configuração para Transmissão possui suportabilidade para AMT s. Um chopper é adicionadoe conectadono barramento CC do aerogerador. DC Intermediate Link Converter Filter Se parte da potência gerada pelo aerogerador não for fornecidaa rede, devidoa reduçãode tensão (AMT), quandoa máximacorrentedo conversoré atingida, o chopper é ativadoparacontera sobretensão nos capacitores eletrolíticos, garantindo suportabilidade ao equipamento. O aerogerador continua operando fornecendo potência ativa às redes, mesmo com tensão reduzida, e ele permite operar até 5 segundos.

36 Dados de um Aerogerador Fabricado no Brasil Falta trifásica, 25% U rated,.5sec, P=2 kw - O aerogerador fica conectado durante faltas - Ele suporta faltas até de duração 5segundos! - A capacidadede recuperaro fornecimentode potência ativa é muito rapida.

37 Muito obrigado 2/12/212