Estudo de Regime Permanente da Conexão de Geração Distribuída em Sistemas De Distribuição Desequilibrados

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1 Estudo de Regime Permanente da Conexão de Geração Distribuída em Sistemas De Distribuição Desequilibrados G. D. Mello, Unisinos, I. C. Dias, Unisinos, R. M. Scheffer, Unisinos e P. R. S. Pereira, Unisinos Resumo-Dado o crescente número de acessantes de geração nos alimentadores de distribuição, o presente trabalho visa apresentar o estudo em regime permanente de um sistema de distribuição de energia (SDE) desequilibrado na presença de fontes de geração distribuída (GD) A análise se dá através de simulações de diferentes cenários de geração, para cada máquina, sendo estes avaliados nos patamares de carga leve, média e pesada. No sistema avaliado, foram consideradas as conexões da GD em pontos distintos da rede, estando uma máquina síncrona conectada próxima ao barramento infinito e outra conectada ao final do alimentador trifásico, sendo esta uma análise muito particular para este cenário proposto. Nas análises foram avaliados os efeitos da transição entre os patamares de carga e das diferentes condições de geração, para cada patamar assim como o desequilíbrio de tensão do sistema. Nestas condições torna-se possível identificar os impactos nos níveis de tensão e carregamento da rede de distribuição, além de fornecer as condições iniciais para os estudos dinâmicos. Palavras-chave-- Geração distribuída. Níveis de Tensão. Sistemas de Distribuição Desequilibrados. C I. INTRODUÇÃO OM o desenvolvimento das tecnologias e com o aumento do consumo, a demanda por energia elétrica vem crescendo mais e mais a cada ano, fazendo com que a busca por novas alternativas de geração de energia elétrica seja de interesse comum. No Brasil, devido ao grande potencial hídrico, as hidrelétricas correspondem a maior parte da matriz energética, porém as mesmas encontram-se distantes dos centros de consumo sendo necessária a conexão aos G. D. Mello, I. C. Dias, R. M. Scheffer e P. R. S. Pereira estão vinculados à (Unisinos) ( gabrield.mello@hotmail.com, icardozo.dias@gmail.com, rodrigomscheffer@gmail.com e prpereira@unisinos.br). 1 sistemas de transmissão. Exigem também altos investimentos para a construção e um processo longo e complexo para a avaliação do seu impacto ambiental. Então para complementar a produção de eletricidade no Brasil, ainda existem as usinas termelétricas, plantas eólicas e solares, que além de operarem com plantas de grande porte, ainda podem existir como mini, micro e cogerações podendo ser conectadas diretamente nos sistemas de distribuição. O número de conexões de centrais geradoras de pequeno e médio porte vem aumentando devido a mudanças na regulação do setor elétrico brasileiro, como por exemplo, a publicação da Resolução Normativa 482/2012 [1] que trata do acesso de micro e minigeradores aos sistemas de baixa e média tensão e cria o sistema de compensação na fatura de energia do consumidor que possuir este tipo de geração. O termo Geração Distribuída (GD) é usualmente utilizado para a caracterização de geradores conectados ao sistema de distribuição de energia (SDE). Este tipo de geração engloba pequenos produtores de energia elétrica, tais como pequenas centrais hidrelétricas (PCH), plantas de menor potência de energia solar e eólicas, e Pequenas Centrais Termelétricas (PCT), que incluem biogeradores e geradores com aproveitamento de gases de processos industriais. Com a utilização destas gerações mais próximas dos centros de carga, é possível reduzir os custos com a transmissão de energia e ainda aproveitar ao máximo o potencial energético existente. Com a conexão destas unidades nos SDEs, a topologia básica do sistema elétrico tem sido modificada. Estes pontos de conexão estão muitas vezes localizados em redes radiais do sistema que, devido às características próprias destes alimentadores, podem alimentar cargas monofásicas ou desequilibradas, que resultam em condições não ideais de operação das máquinas conectadas ao sistema. Estas centrais geradoras podem solicitar a conexão no sistema de transmissão ou de distribuição, dependendo do porte da mesma. Para que esta solicitação de conexão seja liberada, uma série de estudos é requerida, tais como

2 estudos de coordenação e seletividade das proteções, estudo da tensão em regime permanente e estudo de estabilidade transitória da máquina, com o objetivo de avaliar as condições de conexão de forma a manter a operação segura do SDE e do gerador, além de não impactar negativamente nos aspectos relacionados à qualidade de energia [2]. Dessa forma, este trabalho tem por objetivo apresentar contribuições com relação à avaliação do comportamento em regime permanente dos níveis de tensão do SDE com geradores síncronos conectados, considerando um alimentador longo e com cargas desequilibradas. II. CRITÉRIOS PARA CONEXÃO DE GERAÇÃO DISTRIBUÍDA Para que seja feita a conexão de uma geração distribuída em um sistema de distribuição, é necessário que sejam realizados alguns procedimentos. O primeiro deles consiste na avaliação do ponto de instalação do gerador e na adequação,, do sistema elétrico, quando necessário, para o acesso de gerações distribuídas, por parte da distribuidora de energia ou por parte do acessante conforme o caso,. Além disso, ainda é necessária a elaboração regras e normas técnicas de para a conexão e que este fato não cause danos ao sistema de distribuição. Conforme [2], a conexão de uma geração distribuída deve seguir algumas regras descritas no item 5 contido no módulo 3 do PRODIST [2]. Define-se como acessante o cliente e/ou fornecedor que deseja conectarse ao sistema de distribuição e define-se como acessada a concessionária ou permissionária a qual será conectada esta geração. Por ser, de certa forma, ainda uma novidade a conexão de GDs em SDE resulta em desafios para as empresas que operam estas redes. Estes desafios se apresentam inclusive desde a fase de solicitação de acesso, quando são avaliados os estudos de conexão. Dentro deste contexto, os estudos de estabilidade são de grande importância, pois a operação segura e confiável destes geradores está relacionada com a estabilidade dos próprios geradores [3]. 100 MVA e relação X/R de 7 vezes. O alimentador tem um comprimento total de rede de 90,69 km. A Figura 1 apresenta o diagrama unifilar deste sistema. Figura 1 - Diagrama do Sistema. Dois geradores síncronos com potência nominal de 4 MVA foram conectados ao sistema, sendo um deles na barra 816 e o outro na 848.Ambos operam injetando 3 MW na rede de distribuição, regulando a tensão nesta barra através de seu AVR em 1 pu. As máquinas foram modeladas como gerador de pólos lisos, acoplado a uma turbina a vapor, representado por um modelo de sexta ordem. A turbina possui um regulador de velocidade. A ferramenta utilizada para as simulações de fluxo de potência foi o Simulink, através do MATLAB [5]. Os dados de linha, bem como os parâmetros das máquinas síncronas e seus sistemas de excitação são utilizados conforme [6]. O sistema foi analisado para três diferentes patamares de carga: leve, média e pesada. Estas cargas estão divididas em cargas distribuídas e cargas concentradas, sendo modeladas como cargas de potência, corrente e impedância constante. Devido a uma limitação do software de simulação, as cargas monofásicas e/ou bifásicas foram modeladas como impedância constante. Dentro destes três cenários de carga, foram avaliados quatro cenários de geração, conforme Quadro 1. GD 1 barra 816 GD 2 barra 848 Cenário 1 100% de geração 100% de geração Cenário 2 100% de geração Sem de geração Cenário 3 Sem de geração 100% de geração Cenário 4 Sem de geração Sem de geração Quadro 1 - Cenários de Geração III. ESTUDO DE CASO Neste trabalho, o sistema analisado é um alimentador adaptado do modelo IEEE 34 Node Test Feeder [4]. O alimentador adaptado opera em uma tensão de 23,1 kv e 60 Hz, e atende alguns ramais monofásicos e bifásicos, conectado a um sistema de subtransmissão, representado por um barramento infinito nas simulações dinâmicas, e por uma barra de referência nas simulações em regime permanente, com potência de curto-circuito trifásico de 2 Os valores de cargas distribuídas e concentradas são apresentados em tabelas, onde a coluna Modelo de Carga apresenta o tipo de ligação da carga estrela (Y) ou delta (D) seguido do modelo: Z é impedância constante, I é corrente constante e PQ representa cargas de potência constante. Os valores dos parâmetros foram retirados de [6]. O modelo de máquina síncrona escolhida foi o Synchronous Machine pu Standard [5], pois para a parametrização do mesmo são solicitadas informações

3 que são normalmente fornecidas nas folhas de dados de geradores. O mesmo mostra um modelo de sexta ordem referente à parte elétrica da máquina, contendo no eixo direto um enrolamento de campo e outro de amortecimento, assim como um ramo para representar as perdas internas do gerador síncrono. Já o eixo em quadratura é composto por dois enrolamentos de amortecimento, assim como uma parcela que representa as perdas por correntes parasitas[7]. Este modelo é apresentado na Figura 2. Os valores dos parâmetros foram retirados de [8]. Já o regulador de velocidade utilizado, conforme mostra a Figura 5, é um modelo adaptado do próprio ST2A, mas com a variável de controle sendo a velocidade, não mais a tensão. ωref Vmin Vmáx Pm Figura 2 - Modelo da Máquina Síncrona. Como mencionado anteriormente, a máquina síncrona possui controladores, assim como sua máquina primária. Os controladores da GD foram modelados a partir de [9], sendo o AVR modelado como o ST2A e o PSS como o PSS2B, ambos ajustados com os valores indicados na IEEE [9]. O modelo do AVR é mostrado na Figura 3 e o do PSS na Figura 4. Vref Figura 3 - Modelo do AVR. dws1 VT dws1máx dws1min VRmin Figura 4 - Modelo do PSS. VRmáx EFDmin EFDmáx EFD VSTmin VSTmá VST 3 Δω Figura 5 - Modelo do Regulador de Velocidade. O regulador de velocidade, assim como o de tensão, atua comparando o valor de saída da máquina, com um valor de referência de velocidade ou de tensão, gerando uma variável de controle que faz com que a máquina opere para manter na saída, o valor ajustado. Já o estabilizador de sistemas de potência é um dispositivo auxiliar de controle, que tem como função básica aumentar a constante de amortecimento das oscilações de um sistema. O PSS atua diretamente no sistema principal de controle do gerador síncrono, seu sinal de saída serve como parâmetro de ajuste para o AVR, por exemplo. IV. RESULTADOS A partir das simulações de fluxo de potência realizadas no sistema, considerando-se os três patamares de carga e os quatro cenários de geração, foi possível realizar algumas observações com relação ao comportamento do sistema. Para o patamar de carga leve, em todos os cenários de geração, todas as tensões nas barras ficaram acima do limite mínimo estabelecido por [2], de 0,93 pu. e com fator de desequilíbrio máximo de 0,70%. Os fatores de desequilíbrio encontrados para cada cenário, podem ser observados no Quadro 2. Já no patamar de carga média, para cenário 4 de geração, que é o caso sem nenhuma geração conectada, o sistema possuía barras abaixo do limite de tensão, chegando até a existir um caso com 0,89 pu de tensão, porém quando analisado o fator de desequilíbrio neste cenário, observa-se que, na pior condição, é encontrado o valor de 1,69% de desequilíbrio. Após a conexão das gerações referentes aos cenários 1, 2 e 3, os níveis de tensão normalizaram-se e os fatores de desequilíbrios reduziram-se a valores ainda menores. Avaliando-se o patamar de carga pesada, foram DT

4 encontrados valores abaixo do limite de 0,93 pu nos cenários 2 e 4 de geração. Nota-se que quando apenas a GD1 estava em operação, o limite mínimo de tensão não pôde ser alcançado. Ainda assim foi possível observar uma melhora nos níveis de tensão, quando se comparando com o cenário que não possuía geração alguma, já que o valor foi elevado de 0,74 pu para 0,87 pu. Ao analisar o desequilíbrio no cenário 4, nota-se que o maior fator encontrado é na ordem de 2,59%, porém nos demais cenários, os desequilíbrios encontrados foram bastante satisfatórios, sento todos abaixo de 1%. Carga Leve Média Pesada Cenário Barras Cenário 1 0,015 0,0882 0,0718 0,095 Cenário 2 0,034 0,2106 0,1381 0,317 Cenário 3 0,042 0,163 0,168 0,130 Cenário 4 0,136 0,5926 0,5131 0,704 Cenário 1 0,038 0,2142 0,1735 0,235 Cenário 2 0,073 0,5058 0,3278 0,778 Cenário 3 0,095 0,3919 0,4009 0,319 Cenário 4 0,303 1,397 1,195 1,692 Cenário 1 0,070 0,4225 0,3409 0,464 Cenário 2 0,149 0,9667 0,6179 1,526 Cenário 3 0,196 0,773 0,7969 0,618 Cenário 4 0,509 2,593 2,175 3,24 Quadro 2 - Fatores de Desequilíbrio V. CONCLUSÕES Este trabalho apresentou um estudo em regime permanente considerando a conexão de GDs em dois pontos do alimentador de 23,1 kv, adaptado do modelo IEEE 34 Node Test Feeder [4]. Conforme observado nos resultados encontrados, os limites mínimos dos níveis de tensão, estabelecidos por [2] em 0,93 pu, não foram atingidos, considerando os cenários 2 e 4 para o patamar de carga pesada, o que de certa forma já era esperado, uma vez que o sistema sem nenhuma GD conectada já apresentava violações nos níveis de tensão. Quando da entrada em operação da GD1, estes níveis continuaram abaixo dos limites mínimos, o que caracteriza uma restrição do sistema elétrico e não da geração, sendo que a proposta das gerações distribuídas não consiste na melhora nos níveis de tensão das concessionárias e sim na comercialização de energia. Muito embora a entrada da GD1 não tenha sido suficiente para atingir os limites dos níveis de tensão, percebe-se uma melhora significativa dos valores, onde em determinados pontos houve elevações em até 0,13 pu. Um efeito vantajoso para o sistema elétrico é a redução do carregamento da subestação, uma vez que a entrada em operação das GDs melhora a distribuição do fluxo de potência considerando as cargas ao longo do alimentador. A entrada de diversas fontes geradoras nos sistemas de distribuição pode acarretar em dificuldades futuras para viabilizar a operação destes sistemas, uma vez que ainda não estão definidas de forma clara as responsabilidades pelo despacho descentralizados das GDs. VI. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] AGÊNCIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA (ANEEL) Resolução normativa nº 482 de 17 de abril de a.6 p. [2] AGÊNCIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA (ANEEL). Procedimentos de distribuição de energia elétrica no sistema elétrico nacional PRODIST - Módulo 3 Acesso ao sistema de distribuição. Rev b. 86 p. [3] R. H. Salim, R. Kuiava, R. A. Ramos, N. G. Bretas, Impact of power factor regulation on small-signal stability of power distribution systems with distributed synchronous generators, European Transactions on Electrical Power, to be published. [Online]. Available: [4] IEEE DISTRIBUTION PLANNING WORKING GROUP REPORT. Radial distribution test feeders. IEEE transactioins on power systems. [S.l.], v. 6, n. 3, p , [5] The Mathworks Inc., MathworksMatlab. [Online]. Available: [6] I. C. Dias, Estudo da estabilidade transitória de um sistema de distribuição desequilibrado com geração distribuída, Trabalho de Conclusão de Curso, Departamento de Engenharia Elétrica, Univ. Vale do Rio dos Sinos, São Leopoldo, Brasil, [7] P.C. KRAUSE, Analysis of electric machinery.new York, NY: McGraw-Hill, 1986, Section [8] L. V. L. de Abreu, Dynamic performance of synchronous generators connected to electric power distribution systems, Master s thesis, State University of Campinas (UNICAMP), Campinas, SP, Brazil, June, 2005, (in Portuguese). [Online]. Available: [9] L. Hajagos; D. C. Lee. IEEE recommended practice for excitation system models for power system stability studies. Piscataway, NJ: IEEE Power EngineeringSociety, p. IEEE Std VII. BIOGRAFIAS Gabriel Dutra de Mello, nascido em São Leopoldo-RS, Brasil, em 30 de dezembro de Graduado em Engenharia Elétrica pela (UNISINOS), em Sua experiência profissional inclui a atuação na área de Engenharia e Expansão do Sistema de Subtransmissão na AES Sul Distribuidora Gaúcha de Energia. 4

5 Isadora Cardozo Dias, nascida em Vilhena- RO, Brasil, em 13 de março de É estudante de Engenharia Elétrica na (UNISINOS). Sua experiência profissional inclui estágio na AES Sul Distribuidora Gaúcha de Energia e bolsa de iniciação científica no Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica na UNISINOS. Rodrigo Moehlecke Scheffer, nascido em novo Hamburgo, em 25 de agosto de É estudante de Engenharia Elétrica na (UNISINOS). Sua experiência profissional inclui atuação na área de manutenção elétrica na Companhia Riograndense de Saneamento (CORSAN). Paulo Ricardo da Silva Pereira, nascido em Taquari RS. Recebeu seu diploma de Engenheiro Eletricista pela Universidade do Vale do Rio dos Sinos (UNISINOS), São Leopoldo, Brasil, em 2004 e de Mestre em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Santa Maria (UFSM), Santa Maria, Brasil, em Atualmente é Engenheiro Eletricista na Companhia Estadual de Distribuição de Energia Elétrica (CEEE-D), professor do curso de Engenharia Elétrica da Unisinos e aluno do curso de Doutorado no Programa de Pós- Graduação em Engenharia Elétrica da UFSM. Seus temas de interesse incluem planejamento da expansão e operação de sistemas elétricos de potência, controle de tensão de sistemas de distribuição, otimização e geração distribuída. 5