Impacto da Geração Distribuída no Sistema Elétrico de Distribuição da RGE

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1 Impacto da eração Ditribuída no Sitema létrico de Ditribuição da I. L. Holbach,. D. uaro, D. O. Lima, N. A. Cabral io rande nergia S.A. J. A. B. Falleiro, M. A. A. Melo, M. A. Silva, P. Shinzato, W. Maurício, Y. M. B. M. Oliveira, S. T. Maurício,. etel,. F. N. Vaconcelo Univeridade Prebiteriana Mackenzie eumo te artigo tem como objetivo motrar o etudo feito, obre o impacto da geração ditribuída no Sitema létrico da, com ênfae no que diz repeito à qualidade do Sitema létrico de Ditribuição, contemplando: Deenvolvimento de um itema computacional para avaliação do impacto da eração Ditribuida do tipo PCH, na qualidade do fornecimento de energia pelo itema elétrico da, Capacitação do peoal da, participante dete projeto, para utilização do Sitema Computacional deenvolvido, pequia da caracterítica de parâmetro do Sitema de Proteção e Controle, limitando-e, nete projeto, apena à fonte de geração, para uo no modelo do Sitema létrico de Ditribuição da. Palavra-chave eração Ditribuída, Pequena Centrai Hidrelétrica (PCH'), Modelamento de eração Ditribuída, Simulaçõe Dinâmica. I. INTODUÇÃO Apó o racionamento de energia, o Cliente paaram a dipor da capacidade de geração ocioa em ua intalaçõe. Por outro lado, há ituaçõe onde pode ocorrer cogeração aociada à oferta de outra fonte de energia, como, por exemplo: gá natural, biomaa, eólica, célula combutívei, e outro. Tudo io, aociado a outro fatore, como incentivo governamentai, faz com que e conidere a hipótee de oferta da geração própria dee conumidore, à Conceionária. Para tanto, erá neceário um conhecimento prévio e aprofundado do impacto da conexão de geradore ditribuído ao Sitema létrico de Ditribuição. Obviamente, para a análie dee impacto (qualidade do fornecimento e comportamento dinâmico) é fundamental que e definam metodologia que coniderem, detalhadamente, o parâmetro dee geradore e de eu itema de controle, bem como a configuração do Sitema de Ditribuição, em termo da topologia e do etado elétrico (carregamento) para etudo de avaliação da qualidade de fornecimento, comportamento dinâmico. O objetivo final é garantir ao reponávei da Conceionária, uma análie quantitativa da propota de conexão de PCH, tendo como bae a informaçõe do proponente da conexão de geradore ditribuído ao Sitema de Ditribuição da Conceionária, de modo que não provoque perda de confiabilidade e nem deterioração da qualidade do fornecimento. Tai procedimento de análie, aplicado em conjunto com a ferramenta computacionai deenvolvida neta pequia, permitem a avaliação do Impacto da eração Ditribuída no Sitema létrico de Ditribuição da. Durante todo o deenvolvimento da pequia, houve a participação efetiva de profiionai da, garantindoe, aim da capacitação do memo, para a utilização da metodologia deenvolvida. A pequia foi iniciada por uma revião da literatura técnica e da legilação braileira e internacional pertinente, detacando-e a pequia de norma de operação, além da legilação relativa à conexão ao Sitema létrico de Potência. Foram definido modelo de imulação do itema elétrico de ditribuição, em regime normal e tranitório, com foco principal no comportamento dinâmico do geradore quando ubmetido à variaçõe de carga e ua perturbaçõe. Atravé de uma análie do itema elétrico real da, S/ Vacaria, foi definido um circuito típico, eleito para etudo da alocação de vária fonte geradora (geração ditribuída). A eguir, foi imulada matematicamente a conexão de geradore, utilizando-e, para tanto, o modelo matemático deenvolvido e o parâmetro do itema de controle dee geradore, obtido atravé de levantamento, realizado em parceria com fabricante, A equipe Mackenzie atuou, aim, de forma coordenada com a equipe da, e contou com o apoio de emprea fabricante de equipamento, para poibilitar o levantamento da caracterítica do parâmetro do itema de controle. Atravé de reuniõe menai foram avaliado o andamento e o reultado até então obtido, além de propiciar a capacitação da equipe da, participante do trabalho, para a utilização do itema computacional deenvolvido no etudo de itema elétrico. Dete modo, o trabalho de P&D e iniciaram em maio de 2006 e e prolongaram, em interrupção, até maio de O quadro I motra a eqüência cronológica da atividade deenvolvida.

2 2 QUADO I CONOAMA DAS ATIVIDADS DSNVOLVIDAS tapa Mee Produto evião da literatura atual, e análie de modelo para etudo de comportamento dinâmico e análie da proteção. Apecto legai e Conceituação e Deenvolvimento de equacionamento matemático Pequia de circuito típico para uo na imulação com aplicação de D Pequia de campo para obtenção do parâmetro do reguladore de velocidade e tenão de conjunto de geração Tranferência de Tecnologia e Capacitação do Profiionai da para utilização da Metodologia e do Sitema Computacional deenvolvido elatório : elatório obre a revião da literatura. elatório 2: elatório obre modelo de etudo de comportamento dinâmico. elatório 3: Análie do Sitema de Proteção da coniderando a eração elatório : Conceituação da modelagem matemática para etudo dinâmico. elatório 2: Pequia do parâmetro do itema de controle". e do comportamento da proteção em diferente etágio da utilização da geração ditribuída. elatório 3: Pequia da Legilação braileira pertinente elatório 4: Pequia da exigência do itema elétrico para que a geração ditribuída não degrade a qualidade do fornecimento de energia elétrica. elatório : Diretrize e exigência do itema elétrico quanto à qualidade. elatório 2: Pequia do requiito da proteção e controle da D; elatório 3: Conolidação de metodologia para aceitação da D, ob o ponto de vita da qualidade de fornecimento de energia elétrica. elatório: Parâmetro de reguladore de velocidade e tenão de conjunto de geração. elatório da Jornada Técnica - Concluõe e ecomendaçõe. Workhop - Capacitação do profiionai da, para utilização do recuro então diponívei, reultante dea pequia. elatório Final e Diponibilização do Sitema Computacional para uo na imulação da D no Sitema létrico. 6 elatório final - Metodologia e ecomendaçõe. Sitema Computacional contendo o modelo para uo na imulação da eração Ditribuída no Sitema létrico da. elatório Final a er encaminhado a ANL. Artigo Técnico. II. MODLAM MATMÁTICA DO SISTMA. A modelagem adequada de todo o componente é fundamental para a imulaçõe detinada à avaliação do comportamento da unidade geradora em ua interação com a rede elétrica à qual a mema etão conectada, endo também uma importante ferramenta para a determinação do parâmetro e ajute do itema de controle. No cao epecífico da pequena centrai hidrelétrica, objeto do preente etudo, o porte de cada unidade geradora não é uficiente para que a mema afete conideravelmente o itema elétrico como um todo. ntretanto, condiçõe locai da rede podem, im, er afetada, principalmente em ituaçõe de rede frágei e/ou na quai divera geraçõe etejam conectada. Nete cao, tornam-e mai importante o cuidado que e deve tomar na epecificaçõe e no ajute da unidade geradora, endo a imulaçõe ferramenta útei para ete fim. O primeiro pao é o etabelecimento de modelagem adequada. No iten que e eguem, ão apreentado o ubídio báico para eta modelagem, cujo detalhamento e aplicação no proceamento é motrado a eguir nete trabalho. O modelamento foi baeado na referência [2] [4], [6], [7]. A. Modelo do Sitema erador com Carga O modelo erador com Carga é baeado no equema é motrado na figura. Figura. quema de um gerador alimentando uma carga iolada. [2]. Tm = Torque mecânico Pm = Potência mecânica Pe = Potência elétrica PL = Potência da carga A Função de Tranferência do erador com Carga é motrada abaixo e etá na referência [2], a funçõe de tranferência ão definida pela relação da Tranformada de Laplace da aída pela entrada do itema.

3 3 B. Modelo da Turbina O modelo mecânico da Turbina é baeado no equema de uma uina Hidroelétrica motrada abaixo. Figura 2. Modelo do erador mai Carga.[2]. M = Contante de inércia do erador D = Contante de amortecimento de carga Δωr = Taxa de variação de freqüência ΔPm = Variação de potência mecânica ΔPL = Variação de potência da carga O uo do ímbolo Δ é para indicar pequena variaçõe da grandeza fíica. earranjando o modelo do gerador mai carga motrado na figura 2, obtemo o itema equivalente motrado na figura 3, com a repectiva função de tranferência do gerador mai carga. Figura 4. quema de uma uina Hidroelétrica [2]. H = Altura da Coluna da Água U = Velocidade da Água L = Comprimento do Duto A potência mecânica da Turbina é proporcional ao produto da preão e Fluxo, endo calculado como Figura 3. Modelo do erador mai Carga equivalente a figura 2.[2]. A Função de Tranferência do erador mai Carga é motrada abaixo. = rg ( M + D) () = erador mai carga rg m geral, a carga de itema de potência ão dependente da diveridade do equipamento elétrico. Para carga paiva (impedância contante, por exemplo), a potência elétrica independe da freqüência. No cao de motore, a potência elétrica muda com a freqüência de acordo com a velocidade do motor. A caracterítica da dependência de freqüência de um arranjo de carga pode er exprea por: Δ P = ΔP + DΔω (2) e ΔPe = Mudança de carga não enível à freqüência DΔωr = Mudança de carga enível à freqüência L A contante de amortecimento é exprea como uma mudança percentual em carga para % na mudança de freqüência. Valore típico de D ão de % até 2%. Um valor de D=2 ignifica que % na variação da freqüência pode cauar uma variação de 2% na carga. r Pm = phu (3) p = Contante de proporcionalidade A Função de Tranferência da turbina é motrada abaixo e etá na referência [2]. ΔPm TW = Δ + TW 2 Tw = Tempo de partida da água Δ = Variação de abertura do ate TW t = (5) + TW 2 ΔP t = m Δ Sendo Tw calculado como motrado pela equação 6. L U a = Aceleração da gravidade r - Indica valor nominal ( rating ) (4) r r T W = (6) ah r

4 4 C. Modelamento do Controlador para Turbina Hidráulica A função báica de um controlador para Turbina Hidráulica é controlar a velocidade e/ou carga. O princípio gerai de controle de carga/freqüência etão na referência [2], [] [3]. São tratado aqui o requiito epeciai de controle de turbina hidráulica, ua realizaçõe fíica e etudo de modelagem no itema. A primeira função de controle de velocidade/carga envolve feedback do erro de velocidade para controlar a poição de gate. Para uma qualificação atifatória e operação paralela etável de múltipla unidade, o controlador de velocidade é provido com uma caracterítica de perda ( droop =etatimo). O propóito do droop é aegurar o compartilhamento de carga entre unidade geradora. Tipicamente a perda ou de etado etacionário é aproximadamente de 5%. Io ignifica que um devio de velocidade de 5% caua 00% de mudança na poição do gate. A poição do gate etá diretamente relacionada com a potência de aída. Para um etável deempenho de controle, na preença de grande tranitório temporário, um compenador tem que er incorporado ao controlador. O equema completo do controlador para abertura do gate (g) é motrado na figura na figura 5 abaixo. TM = Tempo de partida mecânica TM = 2Hg Hg = contante de inércia do erador Ob: Ua-e o ímbolo M ao invé de TM O reultado obtido por ete controlador é de devio rápido de velocidade, e um normal low droop em repota de etado etacionário. m geral o controladore apreentam uma contante de tempo (reultando em um atrao na repota) que é repreentada pela função Função de Tranferência motrada abaixo. ct = + T ct = Função de tranferência do atrao do controlador T = Contante de Tempo do controlador D. Modelo completo: Turbina, erador e Controlador O modelo completo do itema formado por turbina - controlador - gerador, é motrado na figura abaixo. (9) Figura 6. Diagrama de Bloco da unidade Hidráulica PCH. [4]. Figura 5. Controlador com compenador de Droop. [2]. p = etatimo (droop) permanente t = etatimo temporário T r = tempo de reet g = abertura do gate Cálculo de droop permanente Para um droop (queda) de 5% em etado etacionário o parâmetro p vale 0,05 Cálculo do droop temporário T t ] W = [ 2,3 ( TW )0,5 (7) TM T = [ 5 ( T )0,5] T (8) r W W. Modelo do citador Há uma variedade de tipo diferente de modelo de excitação. ntretanto, o itema moderno de excitação uam a fonte de potência C.A. atravé do retificadore de etado ólido tai como o SC. A tenão da aída do excitador é uma função não-linear da tenão do campo por caua do efeito de aturação do circuito magnético, aim, não há nenhum relacionamento imple entre a tenão terminal e a tenão do campo do excitador. Muito modelo com vário grau de ofiticação foram deenvolvido e etão diponívei na publicaçõe de recomendaçõe do I. Um modelo razoável de um excitador moderno é um modelo liberalizado, que ignore a aturação ou outro efeito não lineare. De uma forma mai imple, a função de tranferência de um excitador moderno pode er repreentada por uma única contante do tempo T e um ganho, ito é: VF ( ) = V ( ) + T (0)

5 5 V F = Tenão de campo V = Tenão de regulação = anho de exitação T = Contante de tempo do exitador A contante do tempo de excitadore moderno é muito pequena. A tenão de excitação é detectada atravé de um tranformador de potencial e retificada atravé de um retificador tipo ponte. O enor é modelado por uma função de tranferência imple de primeira ordem, dada por: O valor de VS ( ) = Vt ( ) + T T varia entre 0.0 a V S = Tenão do enor V T = Tenão terminal do gerador = anho do enor T = Contante de tempo do enor () A figura 7, abaixo, motra o diagrama de bloco do itema completo de excitação operando em malha fechada, objetivo é manter a tenão proveniente do gerador Vt() regulada a partir da tenão de referência Vref(), onde o inal de erro Ve() é aplicado no amplificador de tenão do excitador, produzindo a tenão de regulação Vr() do excitador. Figura 7. Diagrama de Bloco do itema exitador da PCH. [4]. A função de tranferência em malha aberta, é definida por: ( ) H ( ) = A (2) ( + T )( + T )( + T )( + T ) A A função de tranferência em malha fechada que relaciona a tenão do terminal do gerador Vt() à tenão da referência Vref() é: A ( + T ) ( ) H ( ) = ( + T )( + T )( + T )( + T ) + A A (3) III. PSQUISA M CAMPO PAA CONFIMAÇÃO DOS PAÂMTOS DA MÁQUINA ta atividade teve um redirecionamento, no entido de que a pequia em campo fez parte de entendimento técnico com fabricante, endo que em vária reuniõe realizada durante o período de realização do etudo, foram obtido parâmetro e reultado de enaio previamente realizado. O modelo obtido foram então implantado diretamente no Matlab/Simulink. [5] IV. SIMULAÇÃO DO SISTMA Além do modelo mencionado, foram utilizado modelo já contido no pacote do Simulink, cujo detalhe e reultado de imulaçõe efetuada etão expoto em outro tópico do preente trabalho. A. Simulaçõe para Definição do Parâmetro para Proteção e Controle do Conjunto erador-turbina Como já mencionado, a imulaçõe aqui apreentada não pretendem, e nem devem, egotar o aunto da definição de parâmetro, já que cada ituação futura deverá er etudada de per i. O objetivo dete etudo foi, na verdade, traçar diretrize de procedimento para tratar a olicitaçõe de conexão de nova unidade de PCH no itema da. Aim endo, tomou-e como cao bae um itema montado a partir de dado do alimentador VAC kv, ao qual etá conectada a PCH Saltinho, de MVA. Foram neceária, entretanto, vária modificaçõe, para que foe poível efetuar a imulaçõe com o modelo diponívei, reultando numa rede de 3,8 kv (ao invé de 23 kv), à qual e conectou uma unidade geradora de 9 MVA, cujo dado foram obtido junto ao fabricante. Devido à grande extenão do alimentador, foi neceário adotar uma repreentação implificada do memo, reduzindo-o a quatro trecho interligado radialmente, com carga na extremidade de cada um, calculada pela concentração, em bloco, da carga originai. Com ito, foram mantida a ditância elétrica principai, modelo ete coniderado uficiente para a imulaçõe efetuada. Nete itema, foram imulada ocorrência de alívio de carga e de eccionamento do alimentador, gerando aim vária perturbaçõe que permitiram uma avaliação do comportamento da máquina, incluive em ituaçõe de ilhamento, e para a hipótee de uma ou dua PCH conectada() ao alimentador. Cabe aqui alientar que em todo o etudo deta natureza o objetivo principal é evitar ao máximo o deligamento da PCH como coneqüência de uma perturbação. Ito porque pela norma atualmente vigente ete deligamento é feito de forma automática em toda a ituaçõe anormai. ntão, a única forma de e bucar um aprimoramento erá a modificação deta norma de forma que e obtenha o máximo de proveito, para o itema como um todo, com a PCH conectada ao alimentador pelo maior tempo poível.

6 6 B.Diretrize para a Simulaçõe e Conolidação da Metodologia Procurou-e, neta etapa, elecionar e procear um etudo de cao que motre de forma clara o contexto técnico do proceo de aceitação de uma PCH. De modo geral, o roteiro é iniciado pela análie do dado e informaçõe recebido do cliente e proegue com análie da vária condiçõe de regime permanente e imulaçõe da ocorrência que poam por em rico a confiabilidade do itema e que requeiram eventuai providência preventiva viando aegurar o comportamento adequado da unidade geradora bem como a egurança operativa dela própria. C. Simulaçõe em egime Permanente O fluxo de potência da condiçõe iniciai (ante da perturbação) é obtido a partir de proceamento feito regularmente na. Neta ituação, a PCH etaria a plena carga, gerando 9 MW, do quai 8 MW ão conumido localmente e MW excedente upre a carga do alimentador, havendo ainda um excedente que alimenta o itema a montante, via S Vacaria. Viando gerar uma ituação em que um ilhamento reultaria em obrecarga da PCH, foi reduzida a geração da PCH para o valor de MW, mai próximo à efetiva geração de Saltinho. ntretanto, foi mantida a carga de 8 MW junto à PCH. D. Simulaçõe de Comportamento Dinâmico Para eta imulaçõe, foi utilizado o modelo completo, formado por turbina, controlador, gerador, (modelo ete motrado na figura 6), juntamente com o modelo de máquina e reguladore. O modelo completo, implementado no Simulink, é motrado na figura 8. Quanto a poívei ituaçõe pó perturbação, inúmera hipótee poderiam er formulada, da quai foram elecionada a eguinte: Alívio de carga em ilhamento (Dijuntor da S empre fechado); Alívio de carga com ilhamento (Abertura do dijuntor da S, eguida de alívio de carga). Figura 8. Sitema implementado uando o Simulink.

7 7 A eta mema rede, foi também acrecentada uma egunda PCH, para e verificar a interação entre a dua fonte, numa ituação de ilhamento. O reultado, tanto para o cao de ilhamento com uma única PCH como com dua PCH ão motrado na figura 9, 0 e, havendo indicação de tendência de perda de incronimo. Nete cao, a manutenção do incronimo pode er tentada recorrendo-e a ajute no itema de controle. Cao ito não eja poível, a olução é o deligamento temporário da() PCH( ), eguido de reincronização da() mema(). Memo neta última hipótee, poderá haver algum ganho em termo de confiabilidade, cao a ocorrência que cauou o deligamento do alimentador tenha ocaionado um impedimento parcial do memo por um tempo razoavelmente longo. ta e outra ituaçõe poderão er paívei de erem analiada, dependendo da caracterítica do itema ao qual e fará a conexão da PCH. Figura. Velocidade do rotor PCH-2. Obervamo que a operaçõe de alívio de carga, com e em ilhamento bem como o acrécimo de uma outra PCH na linha afeta a repota do itema, endo neceário o uo de controladore com mencionado anteriormente nete trabalho, para obter a repota deejada. Foi feita a intonia dete controladore de modo a corrigir o problema. O tipo de controlador encontrado no equipamento reai intalado em campo é do tipo PID (Controlador Proporcional Integral e Derivativo). Alterando o controlador PID do itema, podemo alterar a velocidade de repota do itema, bem como a etabilidade do memo. A figura 2 e 3 abaixo, motram a repota de velocidade em pu para um degrau de velocidade na entrada. Neta imulaçõe o PID foi intonizado a partir do dado fornecido pelo fabricante. A figura 2 motra uma repota lenta do controle de velocidade, porém etável e pouco acima do limite permitido, obervamo na figura a velocidade do rotor de.08 pu. Já na figura 3 obervamo uma repota rápida do controle de velocidade, porém etável e dentro do limite permitido. Figura 9. Velocidade do rotor Ilhamento de uma PCH. Figura 2. epota lenta de velocidade do rotor (ervo do ate com Controlador PID, ligado a turbina). Figura 0. Velocidade do rotor PCH-.

8 8 VI. BIBLIOAFIA [] NIS, Norman S. ngenharia de itema de controle. 3. ed. io de Janeiro: Livro Técnico e Científico, [2] UNDU, Prabha. Power Sytem Stability and Control, lectric Power eearch Intitute, Power Sytem ngineering Serie, Mcraw-Hill Inc., 994 [3] OATA, atuhiko. ngenharia de controle moderno. 4. ed. São Paulo: Prentice-Hall do Brail, Figura 3. epota rápida da velocidade do rotor (ervo do ate com Controlador PID, ligado a turbina). V. CONCLUSÕS CONSIDAÇÕS FINAIS. Com o contido no preente trabalho e demai reultado obtido no etudo realizado, foram etabelecida a bae neceária à metodologia para a análie expedita neceária à aceitação de nova conexõe de PCH. Cabe realtar que empre que eta análie não for uficientemente concluiva quanto à certeza da viabilidade da aceitação deta nova conexão, etudo detalhado deverão er conduzido, eja pela, eja pelo olicitante (ou memo num trabalho conjunto), lançando-e mão, para tanto, de recuro computacionai diponívei no etor elétrico, o quai em geral ão de uo corrente no etudo dinâmico do itema interligado braileiro. Ao final do projeto, foi realizada a Jornada Técnica, onde o reultado obtido nete projeto: Metodologia e Sitema Computacional foram apreentado e dicutido pela equipe Mackenzie e da. m eguida ocorreu o Workhop, previto para o treinamento prático uando a ferramenta que foram deenvolvida, permitindo a capacitação do profiionai da na utilização do produto deta pequia: Metodologia e Sitema Computacional, para a avaliação da adequação do Sitema de Controle e do Impacto da eração Ditribuída no Sitema létrico de Ditribuição da. O reultado obtido neta pequia etabeleceram a bae neceária à Metodologia para análie expedita neceária à aceitação de nova conexõe de PCH'. Porém, empre que ea avaliação não for uficientemente concluiva quanto à certeza da viabilidade de aceitação deta nova conexão, erão neceário etudo mai detalhado, eja pela, eja pelo olicitante (ou memo num trabalho conjunto). Para tanto, poderão er utilizado recuro computacionai diponívei no etor elétrico, de uo corrente no etudo dinâmico do itema interligado braileiro. te projeto deverá ter continuidade, para que ejam agregado outro tipo de fonte de geração e turbina, como: á Natural, Biomaa, ólica, Célula Combutível, etc. Foram aplicado o reultado da pequia no aprimoramento do profiionai da, com benefício direto na melhoria da qualidade do atendimento a eu conumidore. [4] SAADAT, Hadi. Power ytem analyi. 2nd ed. Boton: Mcraw- Hill, [5] MATSUMOTO, Élia Yathie. Simulink 5. São Paulo: Érica, [6] H. Weber, V. Futik, F. Prillwitz, A. Iliev, Practically oriented imulation model for the Hydro Power Plant Vrutok in Macedonia, Balkan Power Conference, , Belgrade. [7] Working roup on Prime Mover and nergy Supply Model for Sytem Dynamic Performance Studie, Hydraulic Turbine And Turbine Control Model For Sytem Pynamic Studie, Tranaction on Power Sytem, Vol. 7, NO., February 992.