simulação da proteção de aerogerador sob regime de - DEE

Transcrição

UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ
CENTRO DE TECNOLOGIA
GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA
SIMULAÇÃO DA PROTEÇÃO DE AEROGERADOR SOB
REGIME DE AFUNDAMENTO DE TENSÃO COM A
FERRAMENTA COMPUTACIONAL PSCAD
RAFAEL JOCA CARDOSO
Fortaleza
Dezembro de 2010
ii
RAFAEL JOCA CARDOSO
SIMULAÇÃO DA PROTEÇÃO DE AEROGERADOR SOB
REGIME DE AFUNDAMENTO DE TENSÃO COM A
FERRAMENTA COMPUTACIONAL PSCAD
Monografia apresentada à Universidade Federal do Ceará
como parte dos requisitos para obtenção do Diploma de
Graduação em Engenharia Elétrica.
Orientadora: Profª. Ruth Pastora Saraiva Leão, PhD
Fortaleza
Dezembro de 2010
iv
“A maior batalha que eu travo é contra mim mesmo”
(Napoleão Bonaparte)
v
À Deus,
Aos meus pais, Mônica e Isac,
Aos meus irmãos Priscylla, Angele, Victor e Albert
A todos os familiares, amigos e a minha linda noiva Cristina.
vi
AGRADECIMENTOS
Primeiramente a Deus, pela chama da vida, pela saúde e por prover tudo que preciso,
que um dia eu alcance a capacidade de honrá-lo como toda a glória que Ele merece.
À professora Ruth Pastôra Saraiva Leão, pela sua orientação, paciência, amizade e
disponibilidade durante o tempo que precisei.
À empresa COELCE, em especial a todos os profissionais da Área de Normas e
Procedimentos, pela oportunidade de estágio e aprendizado e que em nenhum momento
negaram atenção ou conhecimento.
Aos professores do Departamento de Engenharia Elétrica da UFC, responsáveis
diretamente ou indiretamente pelo meu aprendizado e Graduação em Engenharia Elétrica, em
especial àqueles que de alguma maneira me fizeram enxergar que a engenharia, além de
precisão técnica é uma arte com a função de causar o avanço em vários aspectos da sociedade.
A todos os meus amigos, em especial Luiz, Yuri, Hermann, Lutiano, Franjac, Daniel,
Patrick, João Victor, Germano, Gilberto, Roberta, Bia, Mazé e vários outros e outras que
mesmo não citados fazem parte das minhas motivações nas minhas conquistas. Pelas
conversas bobas e pelas construtivas. Pelos momentos de apoio, ainda que de forma discreta e
acanhada, sempre sabemos quando acontece.
À minha família, meu sobrinho Téo, a criança mais fabulosa desse mundo, minha irmã
Priscylla, mulher forte e exemplar, meu cunhado Cristiano por todas as orientações e
conversas de assuntos afins. À minha avó Nair por todo o apoio e sabedoria transmitida. Ao
meu pai e toda a minha família do outro continente que estão muito mais presentes do que
imaginam, que um dia eu possa compartilhar todas as felicidades com eles.
À minha noiva Cristina, mulher a quem sou apaixonado, que é doce e companheira,
minha melhor amiga e cúmplice, minha companheira de aventuras e minha princesa. À minha
mãe Mônica que realizou muitos sacrifícios pela construção de quem eu sou hoje, a mulher
mais divertida que conheço e que merece todo o meu respeito e amizade.
vii
Cardoso, R. J, “Simulação da Proteção de Aerogerador sob Regime de Afundamento de
Tensão com a Ferramenta Computacional PSCAD”, Universidade Federal do Ceará – UFC,
2010, 65p.
Esta monografia apresenta a simulação de um aerogerador com máquina de indução de dupla
alimentação, conectado a uma rede elétrica. A simulação foi realizada através do programa
PSCAD/EMTDC que dispõe de uma biblioteca necessária para representação e controle de
aerogeradores conectados à rede através de conversores de potência. Com o crescimento da
geração eolielétrica, os operadores de sistemas elétrico, em países com participação da
geração eólica como Alemanha, Dinamarca, Portugal e Brasil, definiram requisitos mínimos
de suportabilidade de tensão dos aerogeradores durante condição de falta na rede elétrica. As
faltas elétricas causam afundamento de tensão e os produtores de energia para proteger os
conversores de potência desligavam o aerogerador em condição de falta na rede. O objetivo
deste trabalho é implementar uma lógica de controle no relé de subtensão na barra de conexão
de um aerogerador segundo o perfil da curva de tensão x tempo mínima que o aerogerador
deve suportar sem desconectar da rede. A curva implementada, conhecida como LVRT, do
inglês Low Voltage Ride-Through, é a definida nos Procedimentos de Rede da ANEEL –
Agência Nacional de Energia Elétrica. São apresentados os resultados obtidos pelas
simulações, as curvas de tensão e o sinal lógico que mostra a atuação da proteção do sistema
eólico estudado.
Palavras-Chave: Geração Distribuída, Afundamento de Tensão, PSCAD, Simulação.
viii
Cardoso, R. J, “Simulation of Wind Turbine Protection Scheme under Voltage Sag with a
Tool PSCAD”, Federal University of Ceará – UFC, 2010, 65p.
This work presents a simulation of a wind turbine induction machine with double-feed,
connected to an electricity grid. The simulation was performed using the program PSCAD /
EMTDC which has a library needed for representation and control of wind turbines connected
to the grid through power converters. With the growing generation eolielétric, operators of
electric systems in countries with participation of wind generation as Germany, Denmark,
Portugal and Brazil, have established minimum withstand voltage of the wind turbines during
fault condition in the grid. The electrical faults cause voltage sags and power producers to
protect the power converters in wind turbine cut off the fault condition on the network. The
objective is to implement a control logic in the relay undervoltage in bar connecting a wind
turbine according to the curves and minimum voltage vs. time that the wind turbine must
withstand without disconnecting from the network. The curve implemented, known as LVRT,
English Low Voltage Ride-Through, is defined in the Grid Procedures ANEEL - National
Electric Energy Agency. Presents the results obtained by the simulations, the curves of
tension and the logic signal that shows the protection operation of the wind system studied.
Keywords: Distributed Generation, Voltage Sag, PSCAD, Simulation.
ix
SUMÁRIO
LISTA DE FIGURAS ...............................................................................................................xi
SIMBOLOGIA ........................................................................................................................xiv
CAPÍTULO 1
INTRODUÇÃO.......................................................................................................................... 1
1.1
GERAÇÃO DISTRIBUÍDA ......................................................................................4
1.2
O SOFTWARE DE SIMULAÇÃO PSCAD ...............................................................4
1.3
MOTIVAÇÃO E OBJETIVO DO TRABALHO.......................................................5
1.4
ESTRUTURA DO TRABALHO ...............................................................................6
CAPÍTULO 2
SOFTWARES PARA SIMULAÇÃO DE SISTEMAS ELÉTRICOS DE POTÊNCIA............8
2.1
INTRODUÇÃO.......................................................................................................... 8
2.2
ELEMENTOS DO SEP (MODELO DO GERADOR).............................................. 8
2.3
PROGRAMAS DO MERCADO .............................................................................10
2.3.1
ATP (ELETROMAGNETIC TRANSIENTS PROGRAM) ............................ 10
2.3.2
MATLAB ......................................................................................................... 11
2.3.3
ANAREDE .......................................................................................................12
2.3.4
PSCAD ............................................................................................................. 13
2.3.4.1
2.4
EXEMPLOS DE SIMULAÇÃO NO PSCAD.....................................15
CONCLUSÃO.......................................................................................................... 20
CAPÍTULO 3
REQUISITOS PARA SUPORTABILIDADE DE AFUNDAMENTO DE TENSÃO............ 21
3.1
INTRODUÇÃO........................................................................................................ 21
3.2
MOTIVAÇÃO.......................................................................................................... 21
3.3
SISTEMA ELÉTRICO E PROCEDIMENTO DE REDE NA ALEMANHA......... 23
3.4
SISTEMA ELÉTRICO E PROCEDIMENTO DE REDE EM PORTUGAL.......... 27
3.5
SISTEMA ELÉTRICO E PROCEDIMENTO DE REDE NA DINAMARCA.......31
3.6
SISTEMA ELÉTRICO E PROCEDIMENTO DE REDE NO BRASIL .................34
3.7
CONCLUSÃO.......................................................................................................... 40
CAPÍTULO 4
ESTUDO DE CASO DE CURVA DE AFUNDAMENTO DE TENSÃO COM APLICAÇÃO
NO PSCAD .............................................................................................................................. 41
4.1
SUMÁRIO
INTRODUÇÃO........................................................................................................ 41
x
4.2
MODELAGEM NO PSCAD ...................................................................................41
4.2.1
TURBINA EÓLICA......................................................................................... 42
4.2.2
ROTOR BOBINADO DA MÁQUINA DE INDUÇÃO..................................43
4.2.3
CONVERSORES E CONTROLES DA REDE E DO GERADOR ................ 43
4.2.4
DISJUNTOR .................................................................................................... 44
4.2.5
TRANSFORMADOR ......................................................................................45
4.2.6
GRÁFICO......................................................................................................... 45
4.2.7
CANAL DE SAÍDA.........................................................................................46
4.2.8
MULTÍMETRO ............................................................................................... 46
4.2.9
FONTE DE TENSÃO TRIFÁSICA ................................................................47
4.2.10
CURTO-CIRCUITO TEMPORÁRIO ............................................................. 48
4.2.11
RELÉ DE ACIONAMENTO DO DISJUNTOR .............................................49
4.3
CONSIDERAÇÕES DA IMPLEMENTAÇÃO DO SISTEMA NO PSCAD ......... 50
4.4
SIMULAÇÃO DE AFUNDAMENTO DE TENSÃO NO AEROGERADOR ....... 54
4.4.1
SITUAÇÃO 1: FALTA DE BAIXA INTENSIDADE COM DURAÇÃO DE
0,5 SEGUNDO ................................................................................................................. 55
4.4.2
SITUAÇÃO 2: FALTA DE MÉDIA INTENSIDADE COM DURAÇÃO DE 2
SEGUNDOS..................................................................................................................... 57
4.4.3
SITUAÇÃO 3: FALTA DE GRANDE INTENSIDADE COM DURAÇÃO DE
0,5 SEGUNDO ................................................................................................................. 58
4.4.4
SITUAÇÃO 4: FALTA DE GRANDE INTENSIDADE COM DURAÇÃO DE
2 SEGUNDOS.................................................................................................................. 59
4.5
CONCLUSÃO.......................................................................................................... 61
CAPÍTULO 5
CONCLUSÃO E DESENVOLVIMENTO FUTURO............................................................. 63
5.1
CONCLUSÃO.......................................................................................................... 63
5.2
DESENVOLVIMENTO FUTURO..........................................................................64
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ..................................................................................... 65
SUMÁRIO
xi
LISTA DE FIGURAS
Figura 1.1 – Estrutura de um motor a vapor............................................................................... 1
Figura 1.2 – Configuração básica da rede elétrica...................................................................... 3
Figura 1.3 – Gráfico da distribuição de ventos no Brasil [Fonte: Centro Brasileiro de Energia
Eólica]. ............................................................................................................................... 6
Figura 2.1 – Modelo real do gerador. ......................................................................................... 9
Figura 2.2 – Modelo ideal do gerador (resistência desprezada) .................................................9
Figura 2.3 – Diagrama de blocos no Simulink integrado ao Matlab [Fonte: mathworks.com]
..................................................................................................................................................11
Figura 2.4 – Sistema de barras representado no Anarede......................................................... 12
Figura 2.5 – Bacia Hidrográfica do Rio Neslon, Canadá [Fonte:KMUSSER, wikipédia] ...... 13
Figura 2.6 – Composição básica do compensador síncrono estático [20] ...............................16
Figura 2.7 – Representação do sistema completo [20] ............................................................. 17
Figura 2.8 – Representação da recuperação da tensão do sistema no PSCAD ........................ 17
Figura 2.9 – Representação unifilar do sistema de Compensação [21] .................................... 19
Figura 2.10 – Curvas de corrente e tensão de banco capacitivo no momento da falta trifásica
........... ...................................................................................................................................... 19
Figura 2.11 – Curva de corrente de banco capacitivo no momento de falta interna remota .... 20
Figura 3.1 – Exemplo de curva Low Voltage Ride through.....................................................22
Figura 3.2 – Concessionárias de transmissão de energia na Alemanha [26]............................ 24
Figura 3.3 – Curva de Low Voltage Ride through do código de rede Alemão.........................25
Figura 3.4 – Tempos para desligamento do aerogerador em função da tensão e frequência da
rede ........................................................................................................................................... 26
Figura 3.5 – Limites de tolerância de tensão para geração de reativos ....................................26
Figura 3.6 – Gráfico de capacidade acumulada para energia eólica em Portugal [28] ............ 28
Figura 3.7 – Regiões em Portugal com sua potência eólica instalada e em construção [28] ... 29
Figura 3.8 – Curva de afundamento de tensão exigida em Portugal [26] ................................ 30
Figura 3.9 – Tempo aceito de variação de freqüência para a continuidade de geração de
parques eólicos na Dinamarca, tensão menor/igual a 100kV...................................................32
Figura 3.10 – Tempo aceito de variação de freqüência para a continuidade de geração de
parques eólicos na Dinamarca, tensão maior que 100kV [26] .................................................33
Figura 3.11 – Curva de suportabilidade a queda de tensão em usinas eólicas conectadas a
tensão abaixo de 100 kV........................................................................................................... 33
LISTA DE FIGURAS
xii
Figura 3.12 – Curva de suportabilidade a queda de tensão em usinas eólicas conectadas a
tensão acima de 100 kV............................................................................................................ 34
Figura 3.13 – Sistema Interligado Nacional do Brasil [Fonte: www.ons.org.br].....................35
Figura 3.14 – Diagrama de instituições do setor energético brasileiro [Fonte:
http://www.ccee.org.br]............................................................................................................ 36
Figura 3.15 – Potência hidrelétrica instalada e sua participação na geração de energia no
Brasil......................................................................................................................................... 37
Figura 3.16 – Curva de suportabilidade a afundamento de tensão definida pelo ONS [22] .... 39
Figura 4.1 – Tela inicial do PSCAD com biblioteca principal (library master) em destaque ..42
Figura 4.2 – Bloco correspondente à turbina eólica ................................................................. 42
Figura 4.3 – Bloco correspondente ao rotor da máquina de indução .......................................43
Figura 4.4 – Bloco correspondente aos conversores do lado da rede e do gerador.................. 44
Figura 4.5 – Bloco correspondente ao disjuntor....................................................................... 44
Figura 4.6 – Bloco correspondente ao transformador .............................................................. 45
Figura 4.7 – Janela de amostra de gráfico ................................................................................ 46
Figura 4.8 – Bloco correspondente ao canal de saída............................................................... 46
Figura 4.9 – Bloco correspondente ao multímetro ..................................................................47
Figura 4.10 – Bloco correspondente à fonte de tensão............................................................ 47
Figura 4.11 – Bloco correspondente à falta (curto-circuito).................................................... 48
Figura 4.12 – Bloco correspondente ao tempo de duração da falta.........................................48
Figura 4.13 – Conjunto de blocos correspondente ao relé de acionamento do disjuntor ........49
Figura 4.14 – Chave USB para uso do PSCAD ...................................................................... 50
Figura 4.15 – Arquivo original disponibilizado pelo PSCAD [https://pscad.com/products
/pscad/free_downloads/]........................................................................................................... 51
Figura 4.16 – Curva de afundamento de tensão a ser reproduzida no PSCAD....................... 52
Figura 4.17 – Bloco “File Read” e sua saída........................................................................... 52
Figura 4.18 – Módulos utilizados do arquivo do sistema simulado LVRT_ORIN2............... 53
Figura 4.19 – Circuito responsável pela ocorrência do curto-ciruito ...................................... 55
Figura 4.20 – Curva de tensão eficaz e LVRT na situação 1 .................................................. 56
Figura 4.21 – Sinal de BRK em nível 0 durante situação de falta........................................... 56
Figura 4.23 – Nível lógico do BRK em 1 quando condição LVRT não é satisfeita na situação
2 ................................................................................................................................................ 57
LISTA DE FIGURAS
xiii
3 ................................................................................................................................................ 59
4 ................................................................................................................................................ 61
LISTA DE FIGURAS
xiv
SIMBOLOGIA
Símbolo
Significado
PD
Potência Dissipada
R
Resistência
I
Corrente
U
Tensão nos terminais da máquina
E
Força Eletromotriz
UN
Tensão Nominal
UL
Limite Mínimo De Tensão
ULF
Limite Mínimo De Tensão Em Plena Carga
UH
Limite Máximo De Tensão
UHF
Limite Máximo De Tensão Em Plena Carga
Tm
Torque Mecânico
Pm
Potência Mecânica
Cp
Coeficiente de Potência
ρ
Densidade do Ar
A
Área do Rotor
Vw
Velocidade do Vento
Wm
Velocidade Angular
BRK
Sinal de Trip Enviado ao Disjuntor
LVRT
Sinal Construído de Suportabilidade de Afundamento de Tensão
Vrms_pu
Sinal de Tensão Eficaz Por Unidade
Acrônimos e Abreviaturas:
Símbolo
Significado
ANEEL
Agência Nacional de Energia Elétrica
PSCAD
Power Systems Computer Aided Design
EMTDC
Electromagnetic Transients including
LVRT
Low Voltage Ride Through
EUA
Estados Unidos da América
FACTS
SIMBOLOGIA
Flexible Alternating Current Transmission System
xv
Símbolo
Significado
HVDC
High Voltage Direct Current
EMTP
Electromagnetic Transients Program
CLAUE
Comitê Latino Americano de Usuários do EMTP
MATLAB
Matrix Laboratory
GD
Geração Distribuída
ONS
Operador Nacional do Sistema
PROREDE
Procedimentos de Rede
PRODIST
Procedimentos de Distribuição
CEPEL
EPE
ANAREDE
SIN
CHESF
STATCOM
Centro de Pesquisas em Energia Elétrica
Empresa de Pesquisa Eneregética
Programa de Análise de Redes
Sistema Interligado Internacional
Companhia Hidro Elétrica do São Francisco
Static Synchronous Compensator
UPE
Universidade de Pernambuco
IEC
International Electrotechnical Commission
EDP
Energias de Portugal
OMEL
Operador Del Mercado Electrico
OMIP
Operador do Mercado Ibérico de Energia
RNT
Rede Nacional de Telecomunicações
CNPE
Conselho Nacional de Política Energética
MME
Ministério de Minas e Energia
CMSE
Comitê de Monitoramento do Setor Elétrico
CCEE
Câmara de Comercialização de Energia Elétrica
PROINFA
Programa de Incentivo às Fontes Alternativas de Energia Elétrica
PCH
Pequena Central Hidrelétrica
DFIG
Doubly-fed induction generator
PCC
Ponto de Conexão Comum
SIMBOLOGIA
1
CAPÍTULO 1
INTRODUÇÃO
A história da energia elétrica tem um começo recente se comparado à história da humanidade. Mas, ainda assim é possível perceber seu papel fundamental na transformação dos
nossos hábitos e estilo de vida. Pode se dizer que descoberta e desenvolvimento da eletricidade está atrelada à revolução industrial do século XVIII, a partir da qual uma série de mudanças tecnológicas resultou em grande impacto no processo produtivo da sociedade européia
[34].
Neste contexto, o trabalho das máquinas começou a substituir o trabalho humano. Máquinas essas que necessitam de energia para seu funcionamento. As primeiras máquinas foram
máquinas à vapor, onde a energia para rotação era extraída do vapor de água sobre alta pressão e alta temperatura, e seu princípio de funcionamento se baseava no movimento de um pistão, entrada de vapor sob alta pressão e saída de vapor d’água (Figura 1.1).
Figura 1.1 – Estrutura de um motor a vapor [3].
Em 1886 o cientista alemão Werner von Siemens desenvolve o gerador de corrente contínua auto-induzido, podendo ser considerado desde então, o surgimento da máquina elétrica.
A partir daí o desenvolvimento das máquinas elétricas se deu em ritmo frenético. Estas podendo ser usadas como geradores ou motores. Os geradores são utilizados na conversão de
energia mecânica, química ou de outro tipo em energia elétrica, e o motor transformando energia elétrica em energia útil. Tanto o gerador quanto o motor tiveram importante papel na
Introdução
2
realidade de cadeia produtiva, fábricas e produção em massa causada pela revolução industrial
[34].
No final do século XIX surgem nos EUA as primeiras empresas distribuidoras de energia elétrica. A primeira pertencente a Thomas Edison que defendia o uso de corrente contínua
na distribuição de energia elétrica. A segunda empresa, Westinghouse Electric Company, que
pertencia ao empresário George Westinghouse e que tinha como líder intelectual o engenheiro
Nikola Tesla, que ao invés de corrente contínua defendia o uso de corrente alternada para o
mesmo fim. No entanto, a transmissão por corrente contínua se mostrou em grande desvantagem por ser um sistema de grande perda de potência, devido sua baixa tensão e alta corrente,
que pode ser mostrada na equação 1.1 [5].
P = R.I 2
(1.1)
Altas correntes ocasionaram grandes perdas, ou seja, o sistema de Edison apresentava a
limitação da distância entre centrais geradoras e os clientes, devido à alta queda de tensão.
Outra dificuldade encontrada pelo sistema de corrente contínua era a conversão de energia, tendo em vista que esta necessitava de sistemas de conversores giratórios de grande tamanho, tornando a tarefa mais dispendiosa se comparada com o sistema de corrente alternada,
em que as bobinas de um transformador executariam a mesma conversão sem a necessidade
de partes móveis e com menor necessidade de manutenção.
Após o sucesso da geração de energia em corrente alternada, com a construção da hidrelétrica Edward Dean Adams, na Nicarágua, houve o avanço progressivo do uso da corrente
alternada, estabelecendo assim a “vitória” da corrente alternada sobre a corrente contínua no
que foi popularmente conhecido como “a guerra das correntes” [5].
Atualmente existem poucas regiões no mundo onde o sistema em corrente contínua em
baixa tensão (< 1000 V) ainda é usado. Em 1998 a Consolidated Edison começa o processo de
eliminação do serviço em corrente contínua nos EUA e em 14 de novembro de 2007 foi desligada a última transmissão em corrente contínua nos EUA [5].
Com o crescimento exponencial de aparelhos e dispositivos elétricos nas residências,
indústrias e comércios em todo mundo, o sistema elétrico assume um papel fundamental no
modo de vida da sociedade de todo o planeta. O sistema elétrico pode ser definido como um
sistema de energia alternada que engloba geração, transmissão e distribuição de energia elétrica. Um sistema que nos últimos anos tem se tornado cada vez maior e mais complexo, com
sua operação, controle e proteção tornando-se cada vez mais difícil.
As empresas em todo o mundo, sejam estatais ou privadas, têm que investir cada vez
mais em qualificação de pessoal e equipamentos para assegurar um produto e um serviço com
Introdução
3
qualidade em meio a um ambiente competitivo onde a satisfação do consumidor e a eficiência
energética sejam alcançadas com viabilidade econômica.
Segundo estimativa da ANEEL (Agência Nacional de Energia Elétrica) o setor elétrico
brasileiro experimenta um crescimento médio de 4,5 % ao ano, sendo necessário investimentos de aproximadamente R$ 6 a 7 bilhões/ano no mercado de energia elétrica.
O sistema elétrico de potência atual é uma rede física com predominância de poucas e
grandes centrais geradoras de energia que são responsáveis por produzir toda a energia demandada. As usinas de geração são interligadas através de uma rede de transmissão e de distribuição que transporta energia até o usuário final. A figura 1.2 mostra a constituição básica
da rede elétrica no Brasil, que tem como principal fonte de geração de energia elétrica as usinas hidrelétricas, compensando cerca de 72% da energia elétrica segundo a Aneel [33].
Figura 1.2 – Configuração básica da rede elétrica.
A crescente demanda de energia elétrica torna imperativa a necessidade de geração de
implementação de novas formas de geração de energia elétrica. As atuais fontes de energias
estarão comprometidas em alguns anos, seja por sua extinção, ou por limitação de seu uso. Há
ainda outra questão relacionada à geração de energia elétrica através de fontes exauríveis e
poluentes, qual seja a geração sustentável de energia por meio de energias renováveis, de maneira a preservar o meio ambiente e respeitar os espaços que possuem algum tipo de função
social. Visando esses dois fatores foi repensada uma nova maneira de gerar mais energia elétrica sem comprometer os valores sócio-ambientais, dessa forma surge o conceito de geração
distribuída.
A geração distribuída oferece a possibilidade de uso de variadas fontes de energia, sejam elas renováveis ou não renováveis, embora o estado da arte aprecie o seu uso através de
Introdução
4
fontes denominadas renováveis, como por exemplo: Biomassa, eólica, solar, resíduos urbanos,
marés, geotérmica, hidrogênio, dentre outras que apresentem baixa agressão ao meio ambiente [8].
De qualquer forma existe a possibilidade do uso de combustíveis fósseis para a geração
distribuída, que seriam geradores usando como combustível o carvão, óleo combustível, diesel ou gás natural.
1.1 - GERAÇÃO DISTRIBUÍDA
A geração distribuída é uma proposta que vem sendo amplamente adotada em vários países da União Européia, dentre eles Portugal, Alemanha, Dinamarca, Espanha. Pode se definir
geração distribuída como “a geração de energia (elétrica e/ou térmica) de forma descentralizada, localizada próxima do usuário final, economizando os custos de transmissão e distribuição e proporcionando uma solução energética economicamente otimizada para cada caso” [9].
De fato, a geração descentralizada esteve presente nos primeiros empreendimentos de
geração de energia elétrica no Brasil. Nos últimos anos, verifica-se o retorno da geração descentralizada, ou seja, geração distribuída com destaque do seguinte fenômeno ocorrido na década de 90, a introdução da competição entre empresas privadas para concessão no serviço de
energia elétrica.
Outros fatores que contribuíram para o retorno da geração distribuída são: o desenvolvimento de tecnologias variadas para geração de energia elétrica, preço competitivo de plantas
de geração usando turbinas aeroderivadas tendo como combustível o gás natural, a necessidade de desenvolver geração com fontes de energias renováveis, a possibilidade de sua implementação em curto prazo, economizando com gastos de distribuição e transmissão.
No presente trabalho será usada uma usina eólica, sendo aplicado como uma planta de
geração distribuída.
1.2 - O SOFTWARE DE SIMULAÇÃO PSCAD
Com o decorrer do tempo a necessidade de simuladores mais precisos e reais motivou a
evolução de ferramentas para este fim, coincidindo com evolução da informática devido a outras necessidades. A partir daí se tornou possível uma maior interação com este tipo de estudo,
conferindo assim, um maior entendimento de fenômenos e conceitos físicos abstratos. Alian-
Introdução
5
do-se à necessidade de resolver problemas e recursos tecnológicos disponíveis surgem como
conseqüência os softwares para simulação.
O PSCAD parte da premissa universal dos aplicativos, “fazer a tarefa difícil facilmente,
se deve fazer as tarefas simples perfeitamente”. O PSCAD é um programa computacional que
permite projetar e analisar sistemas elétricos de potência em regime permanente e transitório
fornecendo resultados por meio de uma interface gráfica amigável. O PSCAD permite ainda,
análises na área de qualidade de energia, análises de curto-circuito e o planejamento energético através de fluxo de carga. Através deste simulador é possível fazer um estudo de um sistema de potência específico e aprimorar esse sistema no que diz respeito a desempenho e confiabilidade [11].
Em relação a transitórios, o PSCAD pode ser aplicado para realizar análise dos seguintes elementos de um sistema elétrico:
9 Linhas e cabos de energia;
9 Cargas industriais altamente não-lineares;
9 Acionamentos com eletrônica de potência;
9 Faltas assimétricas;
9 Geração de energia distribuída;
9 Máquinas rotativas;
9 Sistemas FACTS/HVDC [11];
Este documento irá descrever o uso do PSCAD analisando um curto-circuito em um sistema com geração distribuída, representada por um aerogerador com máquina de indução de
dupla alimentação, e a proteção implementada na barra do aerogerador.
1.3 - MOTIVAÇÃO E OBJETIVO DO TRABALHO
A geração de energia através das fontes renováveis é uma forte tendência a qual o mundo se direciona. Dentre estas fontes, se destaca a energia através dos ventos, ou energia eólica.
Devido à sua forte característica como “energia limpa”, além da progressiva queda de preço, a
energia eólica vem tomando destaque no mundo, principalmente no Nordeste do Brasil, onde
as condições de vento são extremamente favoráveis, tanto com relação à rugosidade quanto às
velocidades dos ventos em si.
Introdução
6
Figura 1.3 – Gráfico da distribuição de ventos no Brasil [35].
A planta de geração eólica é inserida no sistema de energia elétrica como uma GD (geração distribuída), de maneira que mesmo gerando energia de forma independente, este sistema está suscetível aos fenômenos elétricos comuns em sistemas elétricos de potência. Dentre
estes problemas, um deles é o afundamento de tensão, que consiste na queda brusca de tensão,
que no decorrer de pouco tempo retorna ao seu valor nominal.
Este trabalho tem por objetivo simular, através da ferramenta computacional PSCAD,
um aerogerador interligado à rede elétrica e o comportamento da proteção de subtensão no
ponto comum de conexão (PCC) do aerogerador com a rede. A proteção de subtensão deverá
atender aos requisitos estabelecidos pela Aneel nos Procedimentos de Rede de tensão x tempo
mínimo (curva LVRT) para operação do aerogerador mediante falta na rede elétrica e afundamento de tensão no PCC. O desenvolvimento de um sistema de potência virtual capaz de
esboçar com precisão as características reais da usina eólica, na ocorrência do afundamento de
tensão, é o objetivo principal deste trabalho.
1.4 - ESTRUTURA DO TRABALHO
O Capítulo 2 irá apresentar alguns dos programas de análise de sistemas de potência
mais populares, logo em seguida será introduzido o PSCAD com suas características. Será
descrito algumas aplicações gerais deste programa, bem como suas aplicações mais populares
e consistentes.
O Capítulo 3 será dedicado à curva low voltage ride-through. Serão comentadas as
normas de alguns países que tratam da queda tensão, abordando o gráfico de tensão versus
tempo chamado requisito de suportabilidade a queda de tensão, exigido em vários países. Esse
gráfico representa a exigência que os aerogeradores devem atender, permanecendo conectados
Introdução
7
à rede, mesmo quando houver uma queda brusca de tensão por um determinado espaço de intervalo determinado por cada país através de sua legislação. Serão feitos breves descrições das
características dos sistemas elétricos dos países citados, de maneira a lançar o contexto no
qual a energia eólica se encontra em cada um.
O Capítulo 4 irá apresentar um estudo de caso que consistirá em um pequeno sistema de
potência que será formado pelo sistema representado por uma fonte de tensão, um alimentador, linha de transmissão e o gerador eólico. Neste capítulo será descrito as características
deste sistema hipotético e será descrito as etapas e resultados da simulação no PSCAD.
E por fim, no Capítulo 5 serão apresentadas as conclusões relativas às simulações seguidas de algumas sugestões para trabalhos futuros nesta linha de pesquisa.
Introdução
8
CAPÍTULO 2
SOFTWARES DE SIMULAÇÃO PARA SISTEMAS
ELÉTRICOS DE POTÊNCIA
2.1 - INTRODUÇÂO
Este capítulo irá discorrer sobre os programas computacionais com a finalidade de simular e estudar sistemas de potência. Serão citados os simuladores mais utilizados e serão
descritos algumas de suas características mais marcantes, de maneira a tornar claro as principais diferenças entre os programas disponíveis no mercado. Por fim, este capítulo irá apresentar o programa PSCAD/EMTDC com suas funções e potencialidades, assim como alguns exemplos de aplicação.
2.2 - ELEMENTOS DO SEP (MODELO DO GERADOR)
Os softwares para simulações têm grande importância, pois através dessas ferramentas é
possível ser feito um planejamento mais preciso analisar melhor o comportamento dos equipamentos em momentos de faltas, dentre outras análises, e por conseqüência construir um sistema com confiabilidade, qualidade, segurança e disponibilidade.
Na realização de uma simulação é de fundamental importância que os modelos utilizados sejam os mais exatos possíveis para aquele estudo específico, além da necessidade de representar com maior realismo algumas circunstâncias da vida prática. Outro importante fator
de uma simulação é escolher uma forma apropriada para a representação dos componentes
físicos, levando em conta o tipo de estudo. Portanto, é necessário atentar o nível de representação do programa utilizado na análise. Por exemplo, um gerador elétrico operando em regime
permanente é representado em seu modelo por uma força eletromotriz induzida E e uma impedância Z de maneira que a tensão U em seus terminais é dada pela fórmula:
U = E − Z .i
(2.1)
em que i é a corrente do gerador. Esse é o modelo normalmente utilizado para simulação de
um gerador. Entretanto, alguns programas podem representar o gerador na sua forma ideal,
com:
U=E
(2.2)
Desta forma, os resultados da simulação podem ser comprometidos devido à representação
simplificada do gerador, que neste caso despreza a queda de tensão sobre Z. Quando o modelo
Capítulo 2 – Softwares de Simulação para Sistemas Elétricos de Potência.
9
do gerador não é completo, o usuário do programa de simulação deve adicionar uma impedância em série ao gerador, pois desta forma o gerador será representado por um modelo mais
próximo das condições reais de regime. Nas figuras 2.1 e 2.2 são apresentados os modelos de
geradores real e ideal, respectivamente.
Figura 2.1 – Modelo real do gerador em estado permanente.
Figura 2.2 – Modelo ideal do gerador (resistência desprezada).
Os resultados das simulações devem ser interpretados com cuidado. Nem sempre o
software utilizado apresenta em sua rotina, fluxo de controle em malha fechada, de forma que
não há indício de desvio de valores finais. Neste caso, cabe ao usuário conhecimento e bom
senso na avaliação dos resultados apresentados. A utilização da malha fechada ou feedback é
importante por que permite:
9 aumento da precisão do sistema;
9 rejeição do efeito de perturbações externas;
9 melhoria da dinâmica do sistema e, eventualmente, estabilização um sistema naturalmente instável em malha aberta;
9 diminuição da sensibilidade do sistema a variações dos parâmetros do processo, ou seja, torna o sistema robusto [14].
10
Outra consideração a ser observada é a utilização de métodos numéricos por parte do
simulador computacional. O método numérico a ser adotado é definido pela ordem da equação a ser resolvida, como possibilidades encontram-se:
9 Método de Euller (progressivo) – 1ª ordem;
9 Método de Euller (regressivo) – 2ª ordem;
9 Método de Newton-Raphson – 2ª ordem;
9 Método de Runge-Kutta – 4ª ordem [10];
Pode-se considerar que os resultados das simulações serão influenciados não somente
pelos parâmetros adotados para os equipamentos, mas principalmente pelo modelo que estes
serão representados e pelo método numérico escolhido para resolver as equações em questão.
2.3 - PROGRAMAS NO MERCADO
A seguir serão apresentados alguns programas utilizados para a simulação de sistemas
de potência, nos mais variados focos. Muitos deles têm sua aplicação direcionada para um
tipo de estudo específico, como estudo de curto-circuito, análise de freqüência, fluxo de potência, dentre outros.
2.3.1 - ATP (ALTERNATIVE TRANSIENTS PROGRAM)
O ATP é uma versão para computador pessoal do programa de simulação EMTP (Electromagnetic Transients Program), desenvolvido pelo alemão Herman W. Dommel em meados dos anos 80 na cidade de Munique. Inicialmente o programa só permitia a modelagem de
circuitos monofásicos. Hermann Dommel trabalhou na empresa americana BPA (Bonneville
Power Administration) e logo em seguida foi para a Universidade de British Columbia no Canadá. Nessa passagem por essas instituições Dommel conseguiu desenvolver, juntamente com
vários colaboradores, o ATP em uma ferramenta robusta para simulação de fenômenos transitórios.
Atualmente o ATP possui vários grupos de estudos espalhados no mundo, onde são
formados comitês que desenvolvem e distribuem o programa de uso público, tendo como exemplo o CLAUE (Comitê Latino Americano de Usuários do EMTP). O simulador apresenta
grande flexibilidade e tem como missão a análise de transitórios nos sistemas de potência
[15]. Apesar de suas vantagens, o programa ATP utiliza-se de vários modelos para um mesmo
11
componente elétrico, além de necessitar de programação em linha de comando, características
que tornam a simulação neste software um tanto quanto exaustiva e complexa.
2.3.2 - MATLAB
O Matlab (Matrix Laboratory) foi um software desenvolvido especificamente para o
cálculo numérico e manipulação de matrizes. Possui linguagem computacional própria, chamada de M-código ou simplesmente de M, sua característica fundamental é a construção de
gráficos e de processamento de sinais em um ambiente amigável, mesmo onde os problemas e
soluções são expressos por linguagem matemática. Seu primeiro uso foi na área de sistemas
de controle, mas com o tempo foi sendo aplicado em outras áreas que requerem análise numérica em sua aplicação. É o caso dos sistemas de potência, que ao utilizarem modelos matemáticos se encaixam nas possibilidades de simulação do Matlab.
Em sistemas de potência, as grandes contribuições do Matlab são nos estudos de estabilidade e desempenho da rede. Através do simulink é possível montar um sistema inteiro graficamente, restando o trabalho de incluir valores de componentes para esses blocos. Das possibilidades de simulação de modelos estão incluídos vários tipos de casos, como:
9 Sistemas contínuos, discretos e híbridos;
9 Componentes lineares e não lineares;
9 Pode simular eventos assíncronos.
O ambiente gráfico Simulink é integrado de forma completa ao Matlab e às suas ferramentas, como mostra a Figura 2.2 abaixo.
Figura 2.3 – Diagrama de blocos no Simulink
integrado ao Matlab[Fonte: mathworks.com].
12
O Matlab apresenta como desvantagens sua biblioteca no que diz respeito à representação de
componentes de sistemas de potência. Isso quer dizer que a maioria dos componentes deve ser
construída a partir de lógica de blocos, tomando grande parte de trabalho e tempo do usuário.
2.3.3 - ANAREDE
O Anarede é o programa computacional mais utilizado no Brasil no estudo do SEP (Sistema Elétricos Potência) referente a análise de regime permanente. O programa foi desenvolvido pelo Centro de Pesquisas de Energia Elétrica (CEPEL) com a intenção de disponibilizar
para empresas do Setor Elétrico Brasileiro algoritmos e técnicas de estudo para as áreas de
planejamento e operação. O Anarede possui um ambiente gráfico e fornece a possibilidade
dos seguintes estudos [16]:
9 Fluxo de Potência;
9 Análise de Contingências;
9 Fluxo de Potência Continuado;
9 Fluxo e Análise de Segurança de Tensão.
É possível ainda escolher o cálculo de fluxo de potência através de 2 métodos:
9 Desacoplado Rápido;
9 Newton-Raphson.
Figura 2.4 – Sistema de barras representado no Anarede [37].
13
Atualmente o Anarede é usado por concessionárias de distribuição de energia, universidades,
ONS (Operador Nacional do Sistema Elétrico), EPE (Empresa de Pesquisa Energética),
ANEEL (Agência Nacional de Energia Elétrica), dentre outras instituições. Por ser direcionado para estudos de fluxo de potência, o Anarede é muito eficaz para análises de sistemas em
regimes permanentes e não adequado para estudos de transitórios, como no caso de um afundamento de tensão.
2.3.4 - PSCAD
O software PSCAD teve sua origem na necessidade de analisar o comportamento do sistema elétrico instalada no rio Nelson localizado em Monitoba no Canadá. A bacia hidrográfica deste rio está mostrada na Figura 2.5. Este programa possui características como: flexibilidade, confiabilidade, precisão e facilidade de simulação, entre outros. No final da década de
1980, época de desenvolvimento do simulador, os recursos relativos à ambiente gráfico ainda
não se encontravam em estágio avançado como acontece atualmente. Ainda assim, o programa de simulação (futuro PSCAD) demonstrou respostas satisfatórias. Com o surgimento de
sistemas operacionais com ambientes gráficos aliados ao desenvolvimento de Hardware, o
simulador se consolidou no decorrer da década de 1990 [10].
Figura 2.5 – Bacia Hidrográfica do Rio Neslon, Canadá[10].
14
Apesar de atualmente o programa ser popularmente conhecido principalmente por PSCAD,
sua sigla oficial: PSCAD/EMTDC, faz mais justiça ao funcionamento básico deste, tendo em
vista que PSCAD diz respeito ao programa com relação ao ambiente visual, onde são gerados
gráficos e o programa pode ser manipulado através de blocos e símbolos representativos.
Quanto ao EMTDC, é o agente do programa responsável pela execução de rotinas para resolução dos problemas algébricos. Através do módulo EMTDC são solucionadas equações diferenciais no domínio do tempo que é a forma de representação matemática dos sistemas eletromagnéticos e eletromecânicos [10].
O simulador PSCAD (Power Systems Computer Aided Design) em sua primeira versão
surgiu em 1988 como um programa experimental e sem muita expressividade. Desenvolvido
pela Manitoba HVDC Research Centre, uma subsidiária da empresa canadense Manitoba Hydro, este centro comercializa produtos e serviços para o mercado de energia elétrica. Além do
seu produto mais comercial o PSCAD/EMTDC, a empresa oferece treinamento, consultoria,
serviços em pesquisa, dentre outros [10].
Em 1994, o PSCAD versão 2 foi lançado em plataforma UNIX, possibilitando seu uso
no sistema operacional Windows. O PSCAD permitia, a partir de então, a manipulação de equações diferenciais para sistemas eletromagnéticos. A ferramenta acrescentou o termo
EMTDC em sua marca, em que a sigla EMTDC (Electromagnetic Transients Including) passa
a idéia de “estudo de transientes eletromagnéticos” através de equações diferenciais.
A versão 3, lançada em 1999, trouxe a fantástica inovação de possibilidade da montagem de sistemas através de diagramas de blocos, tendo cada bloco seus próprios dados, de
maneira que a simulação ocorre com maior precisão pela “interpretação modular” dos dados,
ou seja, o compilador lê dados mais organizados e individualizados, facilitando sua execução
e diminuindo a margem de erro na realização de sua tarefa. Por fim, a última versão chega ao
mercado, a versão 4, que representa uma evolução no que diz respeito a software de simulação. A versão 4 mantém o forte potencial de simulação ao mesmo tempo que traz novidades
em relação a interface gráfica, trazendo maior dinamismo com a manipulação de janelas e
plotagem. Ainda traz a característica de compatibilidade com arquivos construídos na versão
3. A manipulação em tempo real é uma característica que reforça o bom uso do
PSCAD/EMTDC, com a possibilidade de visualizar os resultados e realizar mudanças nas variáveis de controle de forma instantânea denota mais dinamismo ao usar este programa.
O PSCAD/EMTDC se diferencia de outros programas do mercado por várias razões,
dentre elas:
9 Preparação e tempo de teste reduzido devido à interface gráfica do PSCAD;
15
9 Representações reduzidas principalmente por elementos passivos como: resistores, indutores e capacitores, podendo ser apresentados em blocos séries ou paralelos, de forma a reduzir nós;
9 O algoritmo de ordenação ideal de chaveamento garante manobras rápidas e eficientes
na simulação;
9 EMTDC usa algoritmo de remoção Chatter para remover oscilações indesejáveis;
9 Não há restrição de elementos no circuito por capacidade de cálculo. Pode-se adicionar
a quantidade necessária de fontes, elementos em série, transformadores, dentre outros;
9 Pode-se usar os elementos de forma ideal (por exemplo, fontes com resistência igual a
zero) ou não;
9 Fácil possibilidade de criação de modelos próprios por parte dos usuários;
9 Intercâmbio entre o PSCAD/EMTDC e Fortran, C e MATLAB;
9 Inicialização de sistemas com arquivos instantâneos [18].
O conjunto dessas características deu ao PSCAD/EMTDC a característica da credibilidade de
maneira que diversas empresas de grande porte utilizam deste programa para simular seus
projetos e realizar estudos elétricos de seus equipamentos, empresas como: ABB, American
Eletric Power (AEP), CHESF, Areva, Hyundai Heavy Industries, Mistubishi, Siemens, Petrobras, dentre outras várias corporações de peso em todo o mundo. Segundo lista publicada pelo
site www.keystonent.com, em agosto de 2005, havia 810 usuários de grande porte registrados
como usuários do PSCAD, dentre estes estavam indústrias, universidades conceituadas e empresas estatais de energia, um demonstrativo explícito da confiabilidade deste software.
Os sistemas de potência elétricos assumem importante papel em nossa sociedade de
modo que sua falta causaria danos e prejuízos em nossa economia e produção. Sendo esta estrutura formada por diversos equipamentos, alguns deles de elevado custo, se torna fundamental a simulação de projetos desta natureza antes da construção de redes e protótipos de novos
equipamentos bem como a avaliação operacional de sistemas existentes. A seguir serão expostos dois exemplos de sistemas simulados no PSCAD, desta forma será avaliado o desempenho de simulação do PSCAD/EMTDC.
2.3.4.1 - EXEMPLOS DE SIMULAÇÃO NO PSCAD
Este tópico irá citar dois exemplos de sistemas específicos simulados com o
PSCAD/EMTDC. Em cada caso, retirado de dois artigos distintos, será descrito o sistema estudado, as grandezas simuladas e os resultados.
16
A. Estudo de Caso 1
O primeiro sistema será realizado a análise de um compensador síncrono estático de potência (STATCOM) [20]. Este equipamento da eletrônica de potência tem o propósito de
compensar potência reativa. Com a queda de tensão surgida por uma partida de um motor, as
cargas sensíveis a esta queda de tensão devem permanecer ligadas e o sistema elétrico deve
continuar funcionando adequadamente com a tensão dentro dos limites normatizados com o
sistema em sua tensão nominal. O sistema para a realização da simulação é composto por: um
gerador, uma carga nominal, um motor de indução e o próprio STATCOM. O STATCOM é
composto pelos seguintes elementos: um inversor, um capacitor, um transformador e um sistema de controle. A configuração básica do STATCOM está mostrada na Figura 2.6.
Figura 2.6 – Composição básica do compensador síncrono estático [20].
O sistema elétrico é alimentado por uma fonte trifásica de 13,8 kV, freqüência 60 Hz, com
neutro aterrado, uma carga resistiva e o motor de indução. Na figura 2.7 está representado o
sistema completo.
17
Figura 2.7 – Representação do sistema completo [20].
Na realização da simulação foi possível constatar a recuperação da tensão do sistema
(Vrms em pu versus tempo) na frequência de 60 Hz através do gráfico construído no PSCAD,
representado na Figura 2.8.
Figura 2.8 – Representação da recuperação da tensão do sistema no PSCAD.
O objetivo da simulação era avaliar a compensação por parte do equipamento STATCOM devido à queda de tensão causada pela partida de um motor. Através da simulação foi possível
avaliar a recuperação da tensão do sistema em poucos ciclos. O artigo cita ainda em sua conclusão a seguinte referência ao PSCAD/EMTDC:
“Grandes vantagens podem ser citadas com relação à utilização do programa EMTDC / PSCAD, tais
como, a possibilidade de executar a simulação de casos com relativa complexidade em uma versão
18
livre (gratuita) em computadores com sistema operacional Windows 95 e conseqüente uso residencial
pelos alunos, a existência de uma grande quantidade de casos exemplos e modelos em sua biblioteca,
contando inclusive com manual e help.”
Desta forma é possível concluir que o PSCAD/EMTDC atendeu a todas as necessidades relativas à simulação do compensador síncrono estático de potência.
B. Estudo de Caso 2
O segundo estudo de caso trata de uma simulação feita pelo professor da Universidade
de Pernambuco (UPE), Manfredo Veloso Borges Correia Lima, para um artigo que descreve a
operação, controle e proteção de bancos de capacitores série em sistemas de transmissão em
500 kV instalados no sistema de transmissão da CHESF [21].
O banco de capacitores série em questão tem como propósito diminuir a reatância da
linha de transmissão. Sendo a potência transmitida inversa à reatância da linha, ao diminuir
esta reatância é incrementada maior capacidade de fluxo de potência na transmissão de energia. A simulação neste caso tem grande importância para que seja constatada a correta operação dos bancos capacitivos, seja em regime permanente ou quando submetido a alguma falta.
Para a proteção do banco de capacitores contra faltas externas foi utilizado um varistor do tipo
MOV (Metal Oxide Varistors) e para faltas internas foi utilizado o Spark Gap, equipamentos
que têm com princípio de funcionamento baseado no desvio de rota da corrente de alta magnitude, que do contrário poderia destruir os capacitores. Os dois elementos de proteção, varisitor
e spark gap, também foram representados na simulação.
Para a realização da simulação do caso mencionado houve uma montagem detalhada
do sistema de compensação série. Fazem parte deste sistema os seguintes componentes:
9 Grupo de capacitores com valores de potência, tensão e corrente;
9 O varistor do tipo MOV;
9 Spark Gap com a função de proteger o MOV durante faltas internas;
9 Circuito de amortecimento composto por um resistor e um reator;
9 Disjuntor de By-Pass.
Na Figura 2.8 é mostrada o sistema de compensação completo utilizado no estudo:
19
Figura 2.9 – Representação unifilar do sistema de Compensação [21].
A Figura 2.10 mostra as curvas de tensões e correntes simulados no PSCAD de um dos bancos de capacitores quando ocorre uma falta trifásica interna, onde houve atuação de by-pass
através do Spark Gap.
Figura 2.10 – Curvas de corrente e tensão de banco capacitivo no momento da falta trifásica.
A Figura 2.11 mostra a curva de corrente obtida na simulação de uma falta remota, em um dos
bancos capacitivos.
20
Figura 2.11 – Curva de corrente de banco capacitivo no momento de falta interna remota.
Ao verificar os elementos elétricos utilizados neste sistema, pode se perceber que não
se tratam de equipamentos de simples modelagem. Com a simulação realizada no caso descrito é possível concluir o grande desempenho para modelagem e simulação do
PSCAD/EMTDC, tendo em vista que foram utilizados componentes como varistores e disjuntores, elementos elétricos não-lineares.
2.4 - CONCLUSÃO
Neste capítulo foram apresentadas várias ferramentas computacionais para análise do
SEP. Foi comprovado o alto poder de simulação e grande capacidade de modelagem do
PSCAD/EMTDC, este será escolhido como simulador para o sistema estudado. O seguinte
caso será simulado neste trabalho: a atuação do sistema de proteção de uma estação de geração eólica sob a contingência de afundamento de tensão. Este sistema de proteção deve atender requisitos de uma curva específica de afundamento de tensão. O Capítulo 3 irá discorrer
sobre as características, requisitos e normas para afundamento de tensão, que usina eólica conectada a rede elétrica deve atender.
21
CAPÍTULO 3
REQUISITOS PARA SUPORTABILIDADE
DE AFUNDAMENTO DE TENSÃO
3.1 - INTRODUÇÃO
Este Capítulo tem como objetivo comentar as condições de funcionamento das usinas
eólicas diante de faltas na rede elétrica. Estes requisitos são estabelecidos pelas operadoras
dos sistemas elétricos, que em várias partes do mundo estabelecem parâmetros com maior nível de exigência para a suportabilidade aos afundamentos de tensão na rede elétrica. Desta
maneira, os procedimentos de rede determinam que os aerogeradores suportem a certos percentuais de queda de tensão do seu valor nominal por um intervalo de tempo, definido pelos
órgãos reguladores de cada país ou região.
A curva de afundamento de tensão é o principal requisito utilizado para regulamentar a
suportabilidade ao afundamento de tensão. Serão descritas as principais características dos
procedimentos de rede dos países de vanguarda em geração eólica, bem como as definidas
pelo ONS e ANEEL, as instituições responsáveis pela operação do sistema interligado nacional no Brasil e pela regulação do mercado de energia, respectivamente.
3.2 - MOTIVAÇÃO
Nos últimos anos vem ocorrendo o aumento progressivo e acelerado de consumo energético, principalmente por parte dos países em desenvolvimento. A partir do final do século
XX, países como Alemanha, Holanda, Dinamarca, dentre outros países europeus, adotaram
cada vez mais o uso de energias renováveis para abastecer seus sistemas de energia. Este fato
se deve aos seguintes fatores:
9 O aumento de preço dos combustíveis fósseis;
9 A consciência do inevitável fim dos combustíveis fósseis;
9 A conclusão de que para se garantir uma sociedade baseada no desenvolvimento
sustentável é fundamental o aumento do uso de energias renováveis em substituição
aos combustíveis fósseis.
Dos diversos tipos de energias consideradas renováveis, àquela que vem apresentando
maior crescimento é a energia eólica, em função do avanço nos estudos dos sistemas eletromecânicos associados à transformação da energia dos ventos em energia elétrica.
Capítulo 3 – Requisitos para Suportabilidade de Afundamento de Tensão
22
Entretanto a energia eólica, no início, sofreu dificuldades para se firmar. Pode-se considerar que seu desenvolvimento se deve principalmente a decisão política, motivada pelos fatores já citados acima, do que por viabilização técnica e financeira, tendo em vista que este tipo
de energia apresenta caráter intermitente, e apesar do aumento do preço das fontes já existentes seu custo não se mostrava competitivo. Entretanto, a partir deste investimento inicial por
parte dos governos, a geração de energia por fontes eólicas experimentou avanços tecnológicos, aumento na participação nas matrizes energéticas e queda de preço, aproximando-se cada
vez mais dos custos de outras fontes convencionais. Desta forma se deu o crescimento da energia eólica até o atual contexto.
Mas esse crescimento, assim como a previsão de uma entrada em larga escala desta fonte de energia nos sistemas de geração elétrica, induziu os órgãos reguladores e operadores de
energia dos diversos países que adotaram a energia eólica em sua matriz, a editarem seus procedimentos de rede no que diz respeito à relação e integração entre rede elétrica e centrais eólicas.
Os códigos de rede têm como propósito definir as condições para o funcionamento dos
geradores de energia de forma a garantir estabilidade e a confiabilidade no fornecimento de
energia [22]. Um dos principais requisitos relativo à geração eólica é a suportabilidade a subtensão ou o mundialmente conhecido LVRT (Low Voltage Ride Through) definida pela norma
IEC 61000-8-2. Esta condição consiste na continuidade do funcionamento dos geradores eólicos mesmo em uma queda de tensão em um determinado intervalo de tempo. Os valores de
queda de tensão e o intervalo de tempo desta queda variam de acordo com a regulamentação
de cada país. Tal relação pode ser melhor interpretada através de um gráfico de tensão versus
tempo como é mostrado na Figura 3.1.
Figura 3.1 – Exemplo de curva Low Voltage Ride-through [22].
23
Estas subtensões têm sua origem em faltas ocorridas na rede. Sendo estas faltas imprevisíveis,
é necessário que o sistema de proteção do barramento onde se encontra os aerogeradores esteja sempre em prontidão para atender ao requisito de suportabilidade de tensão mínima pela
planta eolielétrica.
A seguir serão expostas as características gerais do sistema elétrico dos principais países
relacionados à geração eólica e serão comentadas com maior precisão as condições para a conexão de plantas eólicas a esses sistemas.
3.3 - SISTEMA ELÉTRICO E PROCEDIMENTO DE REDE DA ALEMANHA
De acordo com pesquisas realizadas em 2006 pela Associação da Indústria de Energia
Elétrica da Alemanha, o consumo de energia elétrica no país foi aproximadamente de 540 bilhões de kWh [23]. Para efeito comparativo, o Brasil que é um país de território 23 vezes
maior em área que a Alemanha teve no ano de 2005 um valor de consumo de 341 bilhões de
kWh. Pode se observar que a Alemanha é um país de grande consumo e a demanda de eletricidade se distribuiu entre os setores de sua sociedade, pelos seguintes valores aproximados:
9 Agricultura – 1%;
9 Transporte – 3%;
9 Instalações Públicas – 8%;
9 Residências – 27%;
9 Comércio – 14%;
9 Indústrias – 47%.
Verifica-se que quase metade de sua carga é industrial, tipo de carga que caracteriza um
país com forte necessidade na expansão de geração de energia, e, além disso, segundo o Instituto de Pesquisas Energéticas e Ambientais em Heidelberg, fatores como resguardo de novas
tecnologias para conservação de energia, crescentes exigências de conforto, crescimento de
maiores espaços de convívio e aumento de utilização de equipamentos maiores em termo de
potência em residências, contribuem consideravelmente para o aumento no consumo de energia elétrica na Alemanha. Diante desse quadro de crescimento de demanda de energia que
vem desde a década de 1950 e continua a crescer devido aos motivos listados acima, a Alemanha que tem como pilar de sua matriz energética usinas termelétricas com fontes não renováveis [23], cerca de 26 % sendo nuclear, através de uma decisão política apostou no desenvolvimento de geração de energia eólica. O motivo dessa deliberação é a substituição em sua
24
matriz energética de geração nuclear por geração através de fontes renováveis, sendo escolhida a fonte eólica para tal.
O sistema de potência elétrico da Alemanha está sob supervisão e operação de diferentes concessionárias. As principais operadoras são compostas por quatro empresas, são elas:
E.ON, VE-T, RWE, EnBW. A distribuição dos parques eólicos entre as concessionárias se dá
da seguinte maneira: 42% dos parques eólicos concentram-se na rede da E.ON, 38% na VE-T,
19% na RWE e apenas 2% na EnBW [26]. A Figura 3.2 mostra a divisão das transmissoras no
território alemão. Estas companhias criaram normas regulamentadoras que regem a conexão e
operação de plantas eólicas ao sistema elétrico.
Figura 3.2 – Concessionárias de transmissão de energia na Alemanha [26].
Há algum tempo os geradores eólicos eram desligados da rede na ocorrência de um afundamento de tensão, mas com o crescimento na complexidade e demanda das redes elétricas, se tornou necessário criar regras para este tipo de desconexão. Regras que consistem em
manter o aerogerador conectado à rede, em determinadas condições, quando ocorrer uma
queda de tensão. Estas regras estão descritas abaixo [26]:
9 Em afundamentos que causam interrupção de curta duração, os aerogeradores não
devem apresentar funcionamento instável;
9 Fornecimento de potência ativa logo após a falta;
25
9 Aumento da potência de saída até o seu valor normal a uma taxa de 0,2 da potência
nominal por segundo;
9 Um breve desligamento na unidade geradora é permitido após 0,15 segundos após o
começo da falta, conquanto que a sincronização seja estabelecida dentro de 2 segundos;
9 Após 1,5 segundo da ocorrência da falta, se a tensão no lado do cliente permanecer
num valor abaixo de 0,8 pu da tensão nominal, 25 % dos aerogeradores devem ser
desconectados, se 0,3 segundo depois a tensão continuar no mesmo nível 50% dos
geradores, 75% no caso de mais 0,3 segundo na mesma condição e por fim todos serão desligados 0,3 segundo mais tarde, na continuação do mesmo abaixo de 80%.
Estas são as exigências de permanência ou desligamento dos aerogeradores no caso de afundamento de tensão na Alemanha, as quais podem ser representadas através do gráfico da Figura 3.3.
Figura 3.3 – Curva de Low Voltage Ride-through
do código de rede Alemão [22].
O Código de rede da Alemanha ainda prevê condições para desligamento de aerogeradores em casos de variação de freqüência. Neste caso é recomendado o desligamento instantâneo dos aerogeradores quando a freqüência da rede estiver abaixo de 47,5 Hz ou acima de
51,5 Hz. Para os casos onde a freqüência f se encontra nos seguintes intervalos: 47,5 < f < 49
26
e 50,5 < f < 51,5 os tempos para o desligamento do aerogerador se encontram no gráfico abaixo, da Figura 3.4 [25].
Figura 3.4 – Tempos para desligamento do aerogerador
em função da tensão e freqüência da rede [22].
Outro requisito básico é a geração de reativos por parte dos aerogeradores de acordo
com o nível de tensão ao qual a rede se encontra. A forma como será gerada esta energia reativa não está presa a nenhum método, podendo ser efetuada pelo próprio aerogerador ou por
outra fonte, conquanto que o requisito seja cumprido. O gráfico que representa o requisito de
geração de reativos por parte dos aerogeradores está representado na figura 3.5.
Figura 3.5 – Limites de tolerância de tensão para geração de reativos [22].
Existe ainda uma diferenciação em relação à suportabilidade, onde a diferença será estabelecida de acordo como o tipo de aerogerador. O primeiro tipo classifica os geradores síncronos conectados diretamente à rede como p.ex. na geração convencional de energia elétrica.
27
Neste tipo, caso ocorra uma falta que cause qualquer instabilidade por mais de 150 ms a proteção deve necessariamente isolar a falta. Neste primeiro caso é notável o nível de exigência,
pois nos primeiros 150 ms da falta a geração eólica deve suportar e se manter sem desligamento até mesmo numa queda de 100% da tensão nominal. Após 150 ms a tensão deve ficar
acima de 70% da nominal para manter os aerogeradores ligados. Entre 700 ms até 1,5 s há um
aumento de tolerância linear até se estabilizar após 1500 segundos. No segundo caso se enquadram os geradores não síncronos. Duas exigências marcam esse tipo de aerogerador: O
sistema eólico não deve desconectar em qualquer circunstância de falta, além de que o parque
eólico deve alimentar a corrente de curto circuito. Em relação à saída dos aerogeradores, estes
serão desligados do sistema progressivamente, como já citado anteriormente.
3.4 - SISTEMA ELÉTRICO E PROCEDIMENTO DE REDE DE PORTUGAL
A EDP (Energias de Portugal) é a empresa responsável por todos os ramos técnicos de
energia elétrica em Portugal, desde a geração de energia elétrica até sua comercialização. A
EDP foi criada em 1976 através de uma grande fusão de 13 empresas de eletricidade se tornando uma empresa estatal responsável desde então pela modernização, planejamento e operação do sistema elétrico, assim como a construção de parques geradores de energia elétrica
[27]. Atualmente a EDP é uma empresa de capital aberto que engloba diversas subsidiárias
como: EDP Renováveis, EDP Energias do Brasil, HC Energia, dentre outros.
A partir de 2001 Portugal seguiu a tendência de aumentar sua geração através de fontes
renováveis, isso se deve a uma determinação da União Européia, que estabeleceu que Portugal
deveria ter 39 % de sua energia consumida baseada em energias limpas [26]. A principal fonte
escolhida por Portugal foi a energia eólica. Este acréscimo de fontes renováveis na matriz energética está demonstrado na Figura 3.6, onde se pode perceber que no período entre 2005 e
2008 a capacidade acumulada foi de aproximadamente 2.750 MW. Com esse crescimento
progressivo de potência, se anteriormente os parques eram ligados à rede de distribuição, com
parques que ultrapassam 100 MW de potência instalada, atualmente aumentam o número de
estações eólicas que devem ser ligadas diretamente à rede de transmissão. Por conseqüência
se obtêm uma estrutura de transmissão de energia com maiores riscos de estabilidade e variação em seu transporte de energia. A Figura 3.7 mostra a potência instalada nas centrais eólicas
de algumas regiões.
28
Figura 3.6 – Gráfico de capacidade acumulada para energia eólica em Portugal [28].
Figura 3.7 – Regiões em Portugal com sua potência eólica instalada e em construção [28].
29
Nesse novo cenário de grandes centrais de geração eólica ligadas diretamente à rede, o
governo português modifica alguns pontos da legislação e a adapta com o objetivo de preservar a qualidade e estabilidade da rede elétrica, daí entram os requisitos que limitam a freqüência, a tensão e que aplicam as curvas de afundamento de tensão.
No que diz respeito à freqüência, o RNT – Rede Nacional de Telecomunicações de Portugal define que o gerador deve ter seus valores entre 47,5 e 51,5 Hz sem desconectar do sistema. A norma diz que nestas condições o aerogerador, além de não se desconectar da rede,
deve cessar a injeção de potência ativa na rede até que os valores de freqüência sejam normalizados [26].
Com relação à ocorrência de falta de qualquer natureza na rede elétrica, caso esta falta
cause uma queda de tensão nos terminais de uma planta eólica, os valores de tensão na entrada do parque deve estar dentro da curva apresentada na figura 3.8.
Figura 3.8 – Curva de afundamento de tensão exigida em Portugal [26].
Ao interpretar a curva de afundamento de tensão da Figura 3.8 é possível apurar que:
num primeiro instante a exigência é que o percentual de tensão se encontre acima de 20% por
pelo menos durante 500ms. Entre 500ms e 1500ms (1,5 segundos) a curva sobe linearmente
até que seu ponto final seja igual a 80 % da tensão nominal. Entre 1,5s e 10s ocorre outra subida linear, mas de forma mais suave, num intervalo de 9,5 segundos há aumento de apenas
10% na exigência. Por fim, após 10 segundos a tensão deve permanecer acima de 90%.
Para que ocorra uma rápida recuperação do sistema após a falta, a norma estabelece que
após o fim do estado de curto-circuito a potência ativa produzida pelo aerogerador deve atinCapítulo 3 – Requisitos para Suportabilidade de Afundamento de Tensão
30
gir seus valores nominais em uma taxa de crescimento de 0,05 da potência nominal por segundo, desta maneira é esperado que mesmo ocorrendo falhas deste caráter com certa freqüência o sistema não apresente déficit na geração de energia.
3.5 - SISTEMA ELÉTRICO E PROCEDIMENTO DE REDE DA DINAMARCA
A rede de transmissão da Dinamarca é administrada por duas operadoras do sistema: a
Eltra, responsável pela região leste do país e a Elkraft responsável pela região oeste. Um detalhe a ser observado é que os dois sistemas são isolados entre si, de maneira que não há qualquer relação de topologia, redundância ou remanejo de energia por contingência entre os dois
sistemas elétricos [26].
Por serem isoladas em diversos aspectos as duas operadoras mantém conexões e relações de mercado com outros sistemas. O Elkraft, por exemplo, faz parte do mercado NordPool que consiste em um mercado de venda e compra de energia os quais faz parte sistemas elétricos da Noruega (Stattnet), Estônia (Elering), Suécia (Svenska Kraftnät), Finlândia (Fingrid)
e Dinamarca (Elkraft). Compõe esse mercado mais 350 instituições, desde produtores de energia, companhias distribuidoras, comercializadores, grandes consumidores, dentre outros
[28]. Enquanto que a Eltra é conectada ao sistema elétrico alemão e mantém uma conexão de
corrente contínua com a Noruega e a Suécia.
Seguindo a tendência mundial, a Dinamarca lança uma estratégia com o objetivo de
comprometer-se com a redução de consumo de energia elétrica. Em fevereiro de 2008, o governo entra em acordo com o parlamento em relação a uma nova política energética para o
país. Este acordo foi o primeiro no mundo a comprometer-se com a redução de consumo de
energia em nível mundial. O acordo consiste em atender ou superar as metas ambientais da
união européia para 2011 como: redução de consumo de energia em 2% com relação a 2006 e
fornecimento em 20% de energia através de fontes renováveis. O acordo inclui a construção
de novas usinas eólicas offshore de aproximadamente 400MW, assim como incentivo na adoção de carros elétricos e financiamento por parte do estado para pesquisa de energia solar, energia gerada por ondas, dentre outras tecnologias que favoreçam a geração de energia limpa.
A partir de então houve o crescimento numérico e em potência por usina dos parques
eólicos na Dinamarca. Este crescimento originou a necessidade da criação de uma regulamentação mais rígida, daí surgem dois decretos, cada um especificado para os dois níveis de tensão existentes:
31
9 Para tensões de no máximo 100kV: “TF 3.2.6 - Wind turbines connected to grids
with voltages below 100 kV”;
9 Para tensões acima de 100kV: “TF 3.2.5 - Wind turbines connected to grids with
voltages above 100 kV” [26].
A partir destas regulamentações foram definidos critérios para situações de afundamentos de
tensões e variações de freqüência, assim como outras situações ocasionadas por faltas elétricas.
Assim como Portugal e Alemanha, a freqüência nominal na Dinamarca é de 50 Hz. Os
limites toleráveis em sistemas com tensão de alimentação menor ou igual a 100 kV (distribuição) são entre 47 Hz e 52 Hz. Aerogeradores conectados ao sistema por linhas abaixo de 100
kV se enquadram nessas condições e não devem ser desconectados em hipótese alguma. Para
que não ocorra queda acentuada de produção de energia foi estabelecido que os parques eólicos devem continuar a produzir energia mesmo com grandes variações de tensão e freqüência
por determinados períodos de tempo. A Figura 3.9 mostra os valores de tensão, freqüência e
tempo permitidos.
Figura 3.9 – Tempo aceito de variação de freqüência para a continuidade de geração de parques eólicos
na Dinamarca, tensão menor/igual a 100Kv [26].
No caso da usina eólica estar conectada ao sistema por uma linha com tensão acima de
100 kV (transmissão), os limites mínimos de operação de freqüência encontra-se entre 47,5
Hz e 53,0 Hz. Para este caso também existe tempo de tolerância para a desconexão do parque,
32
onde também terá como parâmetros a tensão, a freqüência e o próprio tempo. A Figura 3.10
expõe esse requisito.
Figura 3.10 – Tempo aceito de variação de freqüência para a continuidade de geração de parques eólicos na Dinamarca, tensão maior que 100kV[26].
Para os critérios de suportabilidade a quedas de tensão, na Dinamarca, também deve ser
feita a mesma distinção através das normas TF 3.2.5 (acima de 100 kV) e TF 3.2.6 (abaixo de
100 kV) citadas acima. Para aerogeradores ligados ao sistema de distribuição, ou seja, ligados
ao sistema com tensão abaixo de 100 kV, a curva de suportabilidade está apresentada na Figura 3.11.
Figura 3.11 - Curva de suportabilidade a queda de tensão em usinas eólicas conectadas a tensão abaixo
de 100 kV [26].
33
Nesta curva de LVRT (low voltage ride-through) observa-se que nos primeiros 100 ms a tensão nos terminais da usina eólica deve se encontrar acima de 0,25 p.u. e abaixo de 0,9 p.u. Entre 100 ms e 1.000 ms (1 segundo) ocorre uma variação de 0,25 p.u. para 0,8 p.u., e após 10
segundos a tensão deve permanecer acima de 0,9 p.u. No caso da conexão entre a usina eólica
e a rede se encontrar por meio da rede de transmissão a curva de LVRT apresenta se como
mostrado na figura 3.12.
Figura 3.12 - Curva de suportabilidade para queda de tensão em usinas eólicas conectadas a tensão
acima de 100 kV [26].
Na curva para o sistema de transmissão após 0,1 segundo após ocorrência da falta a usina deve ter a tensão em seus terminais entre 0,25 p.u. e 1 p.u. entre 0,1 segundo e 1 segundo a tensão deve estar acima da curva linear de mínimo 0,25 p.u. e 0,75 p.u.. E por fim, após 10 segundos a tensão nos terminais do parque eólicos deve permanecer em 1 p.u. Desta forma, pode-se perceber a maior restrição e rigidez na curva de LVRT na transmissão de energia da Dinamarca.
3.6 - SISTEMA ELÉTRICO E PROCEDIMENTO DE REDE DO BRASIL
O sistema elétrico de potência brasileiro pode ser considerado um dos mais complexos
do mundo, tendo em vista que a maior parte do País está interligada através do SIN (Sistema
Interligado Nacional). São 8.514.876,599 de km² em que a gestão da operação desta rede está
sob a responsabilidade do ONS (Operador Nacional do Sistema). Pode se afirmar que o SIN
abrange os sistemas de geração e transmissão da energia elétrica no Brasil. O SIN é dividido
basicamente em três grandes subsistemas:
9 Subsistema Sul/ Sudeste/ Centro-Oeste (S/ SE/ CO);
9 Subsistema Norte/ Nordeste (N/ NE);
34
9 Sistemas isolados do Norte.
É importante ressaltar que apesar de ainda haver forte característica da isolação dos pequenos
sistemas elétricos no norte do país, devido ao recente desenvolvimento desta região, o ONS
busca cada vez mais a interligação desta área, assim como a integração com o restante do
SIN.
Figura 3.13 – Sistema Interligado Nacional do Brasil [Fonte: www.ons.org.br]
Os principais órgãos e instituições envolvidos diretamente e indiretamente com o setor elétrico brasileiro a nível nacional são:
9 CNPE – Conselho Nacional de Política Energética: Órgão interministerial de assessoramento à presidência da República. Responsável por revisar periodicamente as matrizes energéticas do país, assegurar os insumos energéticos de áreas remotas do país e
estabelecer diretrizes para programas específicos;
9 MME – Ministério de Minas e Energia: Órgão responsável por programar políticas para o setor energético de acordo com diretrizes definidas pelo CNPE;
9 EPE – Empresa de Pesquisa Energética: Empresa veiculada ao MME tem como principal objetivo realizar estudos e pesquisas de maneira que proporcionem informações
para o planejamento energético;
35
9 CMSE – Comitê de Monitoramento do Setor Elétrico: Coordenado pelo MME, constituída com o objetivo de avaliar a continuidade e segurança do suprimento elétrico de
todo o país;
9 ANEEL – Agência Nacional de Energia Elétrica: Tem como função regular o sistema
elétrico brasileiro no que diz respeito à geração, transmissão, distribuição e comercialização da energia elétrica. A Aneel desempenha ainda a função de agente fiscalizador
da qualidade de serviços, universalização do atendimento e pelo estabelecimento das
tarifas para os consumidores finais;
9 CCEE – Câmara de Comercialização de Energia Elétrica: Tem como principal função
a apuração do Preço de Liquidação de Diferenças (PLD). O PLD é utilizado para estabelecer valor de transações no mercado de curto prazo;
9 ONS – Operador Nacional do Sistema Elétrico: Tem como funções operar, supervisionar e controlar a geração de energia elétrica no SIN, e administrar a rede básica de
transmissão de energia elétrica no Brasil. Desta maneira deve aperfeiçoar custos e garantir a confiabilidade do sistema elétrico nacional [30].
Na Figura 3.14 encontra-se o organograma do novo modelo do setor elétrico brasileiro:
Figura 3.14 – Diagrama de instituições setor energético brasileiro [Fonte: http://www.ccee.org.br].
A matriz energética brasileira é baseada principalmente em fontes renováveis como a
energia hidrelétrica e o etanol. Devido ao grande potencial natural do Brasil em recursos hidráulicos e as condições geográficas apropriadas, o crescimento no uso de energia hidrelétrica
no Brasil se tornou acentuado no decorrer dos anos. Pode se dizer que este processo teve seu
36
início após a segunda guerra mundial, após a construção de Paulo Afonso I com potência de
180 MW. A partir de então foram construídas outras usinas como: Três Marias, Itaipu, Xingo,
dentre outras. A Figura 3.15 mostra a grande participação das usinas hidrelétricas no Brasil no
decorrer dos anos [33].
Figura 3.15 – Potência hidrelétrica instalada e sua participação na geração de energia no Brasil.
Mesmo tendo a fonte hidráulica como principal fonte geradora de energia elétrica, com o passar do tempo o Brasil vem investindo em diversas fontes de energia como: etanol, gás natural,
carvão, nuclear e eólica. Sendo que esta última vem ganhando destaque nos últimos anos,
principalmente por incentivo do governo federal que criou o Programa de Incentivo às Fontes
Alternativas de Energia Elétrica (Proinfa). Apesar de incentivar a utilização de outros tipos de
fontes renováveis como a biomassa e as PCHs, o estado da arte atual favorece o uso da fonte
eólica. O crescimento das fontes eólicas no Brasil promove vantagens como:
9 Redução no uso de fontes baseadas em carbono (gases do efeito estufa);
9 Aumento na segurança estratégica;
9 Criação de empregos;
9 Aproveitamento do grande potencial eólico do país (estimado em 145.000 MW).
O cenário atual da energia eólica conta com aproximadamente 602 MW de capacidade instalada. O Nordeste é o principal detentor dos parques, um adicional de 45 usinas eólicas está em
37
fase construção para gerar 2.139 MW [31]. Nessa conjuntura de crescimento da energia eólica, torna-se muito importante atentar para que sua operação se dê de maneira segura.
A Aneel, enquanto agente regulador do sistema elétrico brasileiro, em dezembro de
2008 publica o documento PRODIST (Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no
Sistema Elétrico Nacional) que é a compilação das normas que definem a forma, condições,
responsabilidades, penalidades, e planejamento entre as distribuidoras de energia elétrica,
consumidores e centrais geradoras conectadas ao sistema de distribuição, incluindo redes e
linhas em tensão inferior a 230 kV, garantindo a troca de informação entre as partes, além de
estabelecer critérios e indicadores de qualidade [26]. Dos diversos temas abordados do PRODIST, encontram se os requisitos para conexão dos aerogeradores. A seguir serão descritos
estes requisitos. No segmento de 230 kV acima do Sistema Interligado Nacional, o ONS em
2005 criou um documento regulatório denominado Procedimentos de Rede.
Com relação ao controle da usina em freqüências fora dos valores nominais, a operação
das usinas eólicas nesta situação deve proceder da seguinte maneira quando ligados aos sistemas de transmissão, de acordo com os PROREDE do ONS:
9 Quando a freqüência estiver entre 56,5 e 63 Hz a operação dos geradores deve ocorrer
sem a atuação dos relés de subfrequência e sobrefrequência instantâneos;
9 Quando a freqüência estiver abaixo de 58,5 Hz, a operação dos geradores deve suportar esta condição por um período de 10 segundos;
9 Quando a freqüência estiver entre 58,5 Hz e 61,5 Hz a operação dos geradores deve
ocorrer sem a atuação dos relés de subfrequência e sobrefrequência temporizados;
9 Quando a freqüência estiver acima de 61,5 Hz, a operação dos geradores deve suportar
esta condição por um período de 10 segundos.
O objetivo da estratégia acima é aproveitar ao máximo o sistema de alívio de carga, onde muitas vezes as condições de distúrbio de freqüências são controláveis. Desta forma é possível
que se evite o desligamento dos geradores quando há déficit de geração [22].
Na ocorrência de distúrbios de freqüência quando a usina eólica está ligada ao sistema
de distribuição, o PRODIST determina as seguintes condições:
9 A operação deve ocorrer de maneira normal quando a frequência se encontrar entre
59,9 Hz e 60,1 Hz;
9 No caso da freqüência sair do intervalo entre 59,5 Hz e 60,5 Hz, a operação dos aerogeradores deve voltar a esta faixa no prazo de 30 segundos após a saída;
9 Nos casos onde há necessidade de corte de geração ou de carga, para garantir a recuperação do equilíbrio carga-geração, a freqüência não pode exceder 66 Hz ou ser inferior
38
a 56,5 Hz em condições extremas; pode permanecer acima de 62 Hz por no máximo
30 segundos e acima de 63,5 por no máximo 10 segundos; pode permanecer abaixo de
58,5 Hz por no máximo 10 segundos e abaixo de 57,5 Hz por no máximo 5 segundo
[26].
Em relação à operação da usina eólica ligada a rede básica durante o afundamento de tensão
causada por curto-circuito, envolvendo uma ou mais fases, a conexão deve permanecer de
modo normal quando a tensão nos terminais da central eólica permanecer acima de curva apresentada na figura 3.16. Nesta figura se observa os seguintes requisitos:
9 Nos primeiros 0,5 segundos do afundamento de tensão, os aerogeradores devem continuar em funcionamento, caso a tensão em seus terminais seja superior a 20% da tensão
nominal;
9 Entre 0,5 segundo e 1 segundo, a tensão deve permanecer acima da curva linear;
9 Entre 1 segundo e 5 segundos a tensão deve permanecer acima de 85 % da tensão nominal no ponto;
9 Após 5 segundos do começo da queda de tensão, a tensão deve permanecer acima de
90 % da tensão nominal no ponto.
Figura 3.16 – Curva de suportabilidade a afundamento de tensão definida pelo ONS [22].
É interessante observar que para usinas ligadas aos sistemas de distribuição o Prodist não estabelece requisitos para suportabilidade a faltas [22].
39
3.7 – CONCLUSÃO
Com o propósito de dar uma visão geral dos sistemas elétricos na atualidade, o capítulo
3 fez uma breve descrição das regras em vigor nos países como Alemanha, Portugal, Dinamarca e Brasil. Foram também descritos os principais requisitos de operação das usinas eólicas conectadas aos sistemas de distribuição e/ou transmissão de cada país, o que forneceu o
conhecimento sobre a regulamentação de operação de parques eólicos nestes países no que diz
respeito a distúrbios de freqüência e afundamentos de tensão.
O próximo Capítulo irá descrever a simulação realizada que foi baseada na curva de afundamento de tensão apresentada na Figura 3.16, o requisito de tensão nos terminais das usinas eólicas determinada pelo ONS.
40
CAPÍTULO 4
ESTUDO DE CASO DE CURVA DE AFUNDAMENTO DE TENSÃO
COM APLICAÇÃO NO PSCAD
4.1 - INTRODUÇÃO
Este Capítulo apresenta um estudo de caso de afundamento de tensão ocorrido nos terminais de um aerogerador. utilizando o PSCAD/EMTDC. Este estudo contempla os seguintes
objetivos:
9 Apresentar os principais componentes utilizados no PSCAD com breve descrição destes;
9 Apresentar algumas considerações sobre a construção do sistema no PSCAD;
9 E como objetivo final, demonstrar a atuação do relé de proteção associado ao disjuntor
do aerogerador, configurado a partir de um bloco de controle que representa o relé.
Neste bloco é implementado a curva LVRT (low voltage ride through), onde um sinal
de atuação será enviado ao disjuntor no caso da tensão eficaz nos terminais do aerogerador se encontre abaixo dessa curva.
4.2 – MODELAGEM NO PSCAD
O PSCAD possui em sua biblioteca principal (master library) grande quantidade de elementos e blocos, desde representação de equipamentos elétricos, blocos lógicos e elementos
de exportação e importação. Para a construção do modelo a ser apresentado foram utilizados
blocos de bibliotecas como a de sistema de controle, disjuntores, faltas e máquinas rotativas.
A seguir serão mostrados os principais blocos utilizados na montagem e suas respectivas funções. Vale ressaltar que esta biblioteca já é incluída por padrão no programa. Quando o programa é aberto, a biblioteca aparece na tela principal como está mostrado na Figura 4.1. Os
seguintes parâmetros foram utilizados para realizar a simulação:
9 Passo de tempo da solução: 100 µs;
9 Passo de tempo do canal: 100 µs;
9 Duração da Simulação: 15 s;
CAPÍTULO 4 – Estudo de Caso de Curva de Afundamento de Tensão com Aplicação no PSCAD
41
Figura 4.1 – Tela inicial do PSCAD com biblioteca principal (library master) em destaque.
4.2.1 – TURBINA EÓLICA
O modelo que simula uma turbina eólica é mostrado na Figura 4.2. Suas entradas são
coeficiente de potência Cp, a velocidade do vento Vw e o sinal de velocidade angular Wm. A
saída corresponde ao torque mecânico (Tm).
Figura 4.2 – Bloco correspondente à turbina eólica.
Os seguintes parâmetros constantes foram definidos para este modelo.
9 Potência Nominal da Máquina: 2MW;
9 Raio do Rotor: 40 m;
9 Densidade do Ar ( ρ ): 1,225 kg/m3;
9 Coeficiente de Potência (Cp): 0,28;
Um diagrama de blocos interno ao bloco da Figura 4.1 é responsável pela obtenção do
torque na saída, onde todas as constantes e variáveis citadas estão envolvidas na obtenção da
potência mecânica da turbina expressa pela Fórmula 4.1:
Pm =
1
Cp ⋅ ρ ⋅ A ⋅ Vw3
2
(4.1)
42
Ao dividir Pm (potência mecânica) pela velocidade angular (ωm), obtém se o torque,
expresso pela fórmula 4.2:
T=
Pm
ωm
(4.2)
4.2.2 – ROTOR BOBINADO DA MÁQUINA DE INDUÇÃO
O gerador adotado neste estudo de caso é o DFIG (Doubly-fed induction generator),
ou também determinado, gerador de indução duplamente alimentado cujo bloco é mostrado na
figura 4.3.
Figura 4.3 – Bloco correspondente ao rotor da máquina de indução duplamente alimentado.
Esta máquina possui a seguinte característica que a define: é uma máquina de indução
com rotor bobinado e conversores eletrônicos de potência ca-cc-ca, onde um dos conversores
é conectado à rede e o outro é conectado aos enrolamentos do rotor, sendo que os dois conversores são interligados através de um circuito capacitivo e com controle PWM [32]. O modelo recebe as seguintes entradas: velocidade de entrada (W), chave para acionar modo de
controle por velocidade ou modo de controle por torque e torque de entrada (TL) que será
fornecida pelo bloco turbina eólica. Ainda há os terminais trifásicos do conversor do gerador e
os terminais trifásicos ligados diretamente à rede elétrica.
4.2.3 – CONVERSORES E CONTROLES DA REDE E DO GERADOR
43
Este componente representa o conjunto conversor da rede, elo cc e conversor do gerador. O controle do conversor do lado do gerador tem como função controlar a velocidade do
rotor e controlar a potência reativa que irá entrar ou sair do gerador através do estator. O controle do conversor do lado da rede tem como função controlar a tensão no barramento cc e a
potência ativa que entra ou saí do rotor para a rede. A saída GABC corresponde ao controle
para o conversor do lado do gerador, enquanto que a saída SABC corresponde ao controle do
conversor lado da rede. Na Figura 4.4 é apresentado o bloco correspondente aos conversores.
Figura 4.4 – Bloco correspondente aos conversores do lado da rede e do gerador.
4.2.4 – DISJUNTOR
O bloco da Figura 4.5 representa o disjuntor. Este bloco é utilizado nos terminais do
gerador. O acionamento (estado lógico = 1) deste bloco é o sinal de que o aerogerador está
desconectado. A ação deste bloco será realizada quando o sinal BRK estiver em nível lógico 1
(cor verde), indicando que o disjuntor abriu e o aerogerador está desligado da rede. No caso
do disjuntor se apresentar na cor vermelha como mostra a Figura 4.5 (nível lógico 0), o disjuntor está fechado e o a aerogerador está ligado à rede.
Figura 4.5 – Bloco correspondente ao disjuntor.
44
4.2.5 – TRANSFORMADOR
O bloco correspondente ao transformador está representado na Figura 4.6. Os principais parâmetros considerados para este bloco são:
9 Potência nominal do transformador;
9 Definição dos enrolamentos primário e secundário, em delta ou estrela;
9 Tensão do enrolamento secundário e tensão do enrolamento primário;
9 Frequência Nominal.
Figura 4.6 – Bloco correspondente ao transformador.
No estudo de caso apresentado foi utilizado um transformador abaixador conectado entre o aerogerador e o PCC (ponto comum de conexão). A potência nominal do transformador
é de 1 MVA e a tensão de 20 kV foi abaixada para 0.69 V, tensão que alimenta o aerogerador.
4.2.6 – GRÁFICO
Para apresentar os gráficos de sinais foi utilizada a função “Graph Frame”. Esta função
apresenta vários recursos e cria uma interface interativa e amigável, permitindo, por exemplo
o uso de grades de fundo para melhor interpretar o gráfico, o uso de escalas para multiplicar
ou dividir o gráfico original. Outra função que ofereceu grande utilidade é o uso de dois sinais
em um mesmo gráfico, muito importante para a finalidade de comparação entre sinais. Na Figura 4.7 encontra-se a mostra a janela de amostra do gráfico.
45
Figura 4.7 – Janela de amostra de gráfico.
4.2.7 – CANAL DE SAÍDA
A principal função do canal de saída é gravar o sinal que foi conectado a ele, com a finalidade de mostrar em um dispositivo de amostragem este sinal. Na Figura 4.8 encontra-seo
bloco que representa o canal de saída.
Figura 4.8 – Bloco correspondente ao canal de saída.
Para todos os gráficos é necessário que se utilize este canal de saída para realizar a ligação entre a janela do gráfico e o sinal a ser exposto nele. Dentre outras funções, uma de
grande importância deste bloco é desempenhar a interface entre os sinais e a janela de gráfico.
4.2.8 – MULTÍMETRO
O bloco da Figura 4.9 corresponde ao multímetro.
46
Figura 4.9 – Bloco correspondente ao multímetro.
Apesar de não desempenhar nenhuma função fundamental no que diz respeito ao funcionamento do sistema ou sua interpretação, se mostrou muito útil para comparação de valores de tensão em determinados instantes. Sua função é realizar a medição de valores instantâneos de diversas variáveis, dentre estas é possível escolher a medição de:
9 Corrente instantânea;
9 Tensão instantânea;
9 Fluxo de potência ativa;
9 Fluxo de potência reativa;
9 Tensão eficaz;
9 Ângulo de Fase
Dentre estas, foram medidos os fluxos de potência ativa e reativa como também os valores de tensão eficaz nos terminais de entrada do aerogerador.
4.2.9 – FONTE DE TENSÃO TRIFÁSICA
Na figura 4.10 é mostrada a fonte de tensão utilizada na representação da rede elétrica à qual
o aerogerador está ligado.
Figura 4.10 – Bloco correspondente à fonte de tensão.
47
Por representar todo o sistema ao qual a turbina esta ligada foi utilizada somente uma
fonte trifásica de tensão. Os parâmetros que definem a fonte são:
9 Potência de Base;
9 Tensão de base entre linhas eficaz;
9 Frequência de base;
9 Definição de barramento infinito.
As entradas principais a serem definidas, como mostradas na figura 4.10, são tensão
eficaz entre linhas (V) e ângulo de fase (Ph).
4.2.10 – CURTO-CIRCUITO TEMPORÁRIO
A simulação da falta é representada pela Figura 4.11. Este bloco deve ser conectado ao
local onde a falta deve ocorrer.
Figura 4.11 – Bloco correspondente à falta (curto-circuito).
O tempo de duração da falta é definido pelo bloco “timed fault logic”, onde são definidos: o tempo exato do começo da falta e o tempo de duração. O bloco responsável pelos parâmetros de tempo da falta é mostrado na Figura 4.12.
Figura 4.12 – Bloco correspondente ao tempo de duração da falta.
48
A falta aplicada na simulação teste é do tipo trifásico, e sua magnitude pode variar de
acordo com os valores de impedância definidos internamente no bloco da Figura 4.11;
4.2.11 – RELÉ DE ACIONAMENTO DO DISJUNTOR
O relé é representado por um conjunto de blocos que representam a função responsável por acionar o disjuntor na situação de queda de tensão.
Figura 4.13 – Conjunto de blocos correspondente ao relé de acionamento do disjuntor.
Na figura 4.13 é apresentado a curva implementada de nível de tensão e tempo correspondente à curva de LVRT definida pelo ONS e apresentada no capítulo 3 deste trabalho.
O grupo que representa o relé é composto pelos seguintes parâmetros:
9 Bloco de leitura de arquivo (teste.txt);
9 Bloco comparador;
9 Sinal de saída do bloco de leitura de arquivo (LVRT);
9 Sinal de entrada no comparador Vrms_pu;
9 Sinal de saída do comparador BRK.
O bloco de leitura de arquivo lê um arquivo de extensão.txt, o qual deve estar no
mesmo diretório do arquivo a ser simulado no PSCAD. A saída do bloco será um gráfico onde
o tempo assume a abscissa e os valores da ordenada serão os valores da queda de tensão a serem tolerados pela curva LVRT. A saída deste bloco será exatamente a curva tempo x queda
de tensão adotada pelo ONS. Logo em seguida esta curva será uma das duas entradas do bloco
comparador, onde a outra entrada é a tensão instantânea em p.u. nos terminais do aerogerador.
O bloco de comparação funciona da seguinte maneira: enquanto a entrada B (sinal
V_pcc) for maior que a entrada A (sinal LVRT) a saída lógica do bloco corresponde à zero
(sinal BRK), caso contrário, sinal A maior que B, a saída corresponde a 1, ou seja BRK será 1
49
que acionará a abertura do disjuntor. Através deste simples diagrama de blocos foi possível
programar a proteção ao afundamento de tensão para o acionamento do disjuntor.
4.3 – CONSIDERAÇÕES DA IMPLEMENTAÇÃO DO SISTEMA NO PSCAD
As simulações foram realizadas no laboratório do GPEC (Grupo de Processamento de
Energia e Controle) do Departamento de Engenharia Elétrica da UFC. Foi adquirida uma licença para a utilização do PSCAD, licença esta que é acionada através de uma chave USB,
mostrada na Figura 4.14:
Figura 4.14 – Chave USB para uso do PSCAD.
A vantagem no uso deste tipo de chave para uso de software é a possibilidade do programa ser instalado em vários computadores, com a condição que estes se encontrem na
mesma rede de dados onde se encontra instalado o servidor da licença. Todos os computadores podem inicializar o PSCAD, criar e editar modelos simultaneamente, no entanto a limitação fica por conta da realização da simulação que só pode ocorrer quando a chave USB estiver inserida no computador. Portanto, todas as simulações foram realizadas no GPEC com a
utilização da chave de registro USB.
Para a montagem do sistema foi utilizado um sistema exemplo já disponibilizado no site oficial PSCAD. Este sistema consiste em um aerogerador que utiliza um gerador de indução duplamente alimentado (DFIG). Neste sistema também já se encontra incluído a falta triCAPÍTULO 4 – Estudo de Caso de Curva de Afundamento de Tensão com Aplicação no PSCAD
50
fásica que pode ser controlada facilmente através de suas impedâncias internas. A página de
download pode ser visualizada na Figura 4.15 abaixo:
Figura 4.15 – Arquivo original disponibilizado pelo PSCAD
[https://pscad.com/products/pscad/free_downloads/]
A principal configuração, que é o foco deste trabalho, foi a implementação da proteção
do aerogerador em situação de afundamento de tensão causado por um curto-circuito. O curto-circuito foi aplicado no PCC (ponto de conexão comum) tal que seu efeito se refletisse da
maneira mais intensa possível nos terminais do aerogerador.
Por se tratar de uma proteção muito específica, não foi possível encontrar um dispositivo completo que comparasse o nível de tensão no aerogerador com a curva de LVRT e disparasse um sinal para atuação do disjuntor. Desta maneira, foi desenvolvido através de lógica de
blocos um relé que enviasse um sinal, para comandar o bloqueio da abertura do disjuntor do
aerogerador. Para a construção desse relé que devido à sua natureza foi batizado de relé LVRT, iniciou-se com um bloco que construísse o sinal da curva de afundamento de tensão
descrito pela ONS (Figura 4.16).
51
Figura 4.16 – Curva de afundamento de tensão a ser reproduzida no PSCAD.
Para realizar essa função foi utilizado o bloco File Read que faz exatamente o que sua
tradução diz que é “ler o arquivo”, ou seja, um arquivo no formato .txt. Neste arquivo foram
definidos os pontos nos eixos x e y. Os pontos do eixo x representam automaticamente a variável “tempo”, enquanto que os valores assumidos no eixo y representam um sinal de saída
que é definida na saída do bloco correspondente a curva limite mínimo de tensão (LVRT),
como mostrado na figura 4.17.
Figura 4.17 – Bloco “File Read” e sua saída.
Com a construção deste bloco, obtém-se o sinal de afundamento desejado em sua saída.
Outro sinal necessário é o valor de tensão nos terminais do aerogerador, Vrms_pu, fornecido
pelo sistema. Por fim, é realizada a comparação entre o sinal de saída do arquivo “File Read”
e o sinal Vrms_pu. Esta comparação é realizada através do bloco “Two Input Comparator”.
Este bloco foi programado de uma maneira simples. Ele compara os dois sinais de entrada,
enquanto o sinal de tensão estiver acima do sinal gerado de LVRT o bloco comparador terá
sua saída (BRK) no nível lógico igual a 0, caso contrário será gerado um sinal lógico igual a
1, indicando a atuação do relé de abertura do disjuntor e por conseqüência a saída do aerogeCAPÍTULO 4 – Estudo de Caso de Curva de Afundamento de Tensão com Aplicação no PSCAD
52
rador da rede. Desta forma está feito o conjunto que representa a lógica do relé de proteção
para a curva de afundamento de tensão.
O sistema é composto ainda por quatro módulos distintos, responsáveis por controles e
gráficos do sistema utilizado.
Figura 4.18 – Módulos utilizados do arquivo do sistema simulado LVRT_ORIN2.
O módulo Plot-controls controla e exibe gráficos de variáveis como velocidade angular do
rotor, corrente de componente de eixo direto, corrente de componente de eixo em quadratura e
potência gerada. O módulo Faults é responsável por controlar e definir a magnitude da falta.
Este módulo é fundamental para o resultado esperado da simulação. O módulo Windfarm é
composto por um diagrama de blocos que resulta no torque. Através deste diagrama são calculados os valores descritos no item 4.2.1 deste capítulo, ou seja, toda a lógica interna do bloco da turbina eólica é realizada neste módulo. O bloco DFIG_Controls tem como função realizar o controle da máquina de indução, dentre estes encontram-se:
9 Lógica de ativação de modo de controle de velocidade ou modo de controle de torque;
9 Controle de fluxo do estator;
9 Bloco que determina defasamento espacial entre os eixos magnéticos do rotor e do estator;
9 Controle de ajuste de histerese e corrente de referência do PWM;
9 Controle de velocidade para máxima potência;
9 Proteção de sobrecorrente Crowbar (não utilizado neste estudo);
9 Conversores de componentes de fase em componentes em quadratura e direto (o esquema de controle vetorial direto e em quadratura é utilizado para controle de potência
ativa e reativa);
53
9 Dentre outros controles intrínsecos ao DFIG, para que seu funcionamento seja estável.
Outra consideração importante a ser constatada é a utilização do valor eficaz da tensão
para a monitoração da subtensão. Para esta finalidade o ideal é o uso do valor agregado de
tensão, tendo em vista que este representa a tensão na sua forma mais instantânea possível
[22]. O que pode ocorrer ao usar o valor eficaz da tensão é a perda de algumas medições instantâneas, ou seja, não é atingido o nível máximo de precisão na monitoração da subtensão.
Ainda assim, ao realizar a simulação é possível notar que não há perdas nas medições, ao ponto de prejudicar o acionamento da proteção do sistema em estudo. No próximo tópico será
possível observar o funcionamento da lógica do relé de forma precisa, acionando o disjuntor
de proteção do aerogerador mesmo utilizando-se do valor eficaz para monitoração.
4.4 – SIMULAÇÃO DE AFUDAMENTO DE TENSÃO NO AEROGERADOR
Este tópico trata dos resultados da simulação do estudo de caso proposto. Para colocar a
prova a lógica de atuação do relé, as seguintes situações de afundamento de tensão gerados
pelo curto circuito trifásico no PCC são simuladas:
− Situação 1: Curto-circuito com afundamento de tensão para 0,8 pu e duração de 0,5 s;
− Situação 2: Curto-circuito com afundamento de tensão para cerca de 0,4 pu e duração de 2
s;
− Situação 3: Curto-circuito com afundamento de tensão para cerca de 0,2 pu e duração de
0,5 s. Este curto-circuito é o mais próximo do curto-circuito franco, em que a resistência
de curto-circuito é zero;
− Situação 4: Curto-circuito com afundamento de tensão para cerca de 0,2 pu e duração de 2
s;
Em todas as situações deve ser observada a atuação do disjuntor (sinal BRK=1) quando a tensão eficaz estiver abaixo da curva LVRT.
Para realizar a variação dos parâmetros tempo de duração de curto circuito e intensidade
do curto-circuito foi criado o módulo Faults já citado anteriormente. Este módulo é acessado
através do bloco da Figura 4.11. O tempo de falta é definido como citado na seção 4.2.10.
No caso da variação dos níveis de intensidade do curto-circuito é utilizado um circuito
composto por cinco disjuntores trifásicos e quatro impedâncias, estando cada impedância em
paralelo com um disjuntor como ilustrado na Figura 4.19.
54
Cada disjuntor encontra-se inicialmente aberto, desta forma existe um caminho de alta
impedância impedindo que a corrente desvie sua rota através do circuito. Através do bloco
Timed breaker Logic de cada disjuntor é programado o tempo no qual devem fechar e criar
um caminho de baixa impedância ou impedância zero para a corrente ocasionando, assim, o
curto-circuito. A intensidade do curto-circuito varia de acordo com o número de disjuntores
que são programados para abrir na ocorrência da falta.
Figura 4.19 – Circuito responsável pela ocorrência do curto-ciruito.
4.4.1 – SITUAÇÃO 1: FALTA COM AFUNDAMENTO DE TENSÃO DE BAIXA SEVERIDADE E DURAÇÃO DE 0,5 SEGUNDO
Esta situação tem como principal finalidade mostrar os gráficos de atuação do disjuntor
e do sinal de tensão eficaz em situação em que, o afundamento de tensão para 0,4 pu e duração de 0,5 s nos terminais do aerogerador se encontra dentro dos limites da curva de LVRT de
forma plena. Para esta situação foi ativado um único disjuntor H mostrado na Figura 4.19.
Desta forma, a corrente desviada tem que percorrer quatro impedâncias distintas representando um curto-circuito trifásico de baixa intensidade.
55
Figura 4.20 – Curva de tensão eficaz e LVRT na situação 1.
A curva da tensão eficaz (Vrms_pu) está mostrada em verde na figura 4.20. Como pode
ser visto em nenhum momento o sinal Vrms_pu está abaixo da curva LVRT, resultando em
um sinal BRK em nível lógico igual a 0 no decorrer da falta como mostrado na Figura 4.21.
Figura 4.21 – Sinal de BRK em nível 0 durante situação de falta.
Em termos práticos o que ocorre é que o aerogerador permanecerá conectado à rede durante a falta, pois esta se manteve dentro dos limites estabelecidos pela curva LVRT estabelecida pelo ONS. Uma observação a ser feita é que a curva LVRT tem seu nível inicial em 0,98
p.u. respeitando a variação de tensão de 5% que pode ocorrer em regime permanente.
56
4.4.2 – SITUAÇÃO 2: FALTA COM AFUNDAMENTO DE TENSÃO DE SEVERIDADE MÉDIA E DURAÇÃO DE 2 SEGUNDOS
Na situação 2 é estudado um caso em que a duração da falta varia entre 3 a 5 segundos,
ou seja, é esperado que o sinal de BRK seja ativado pela longa duração do curto-circuito. Para
esta falta de média intensidade foram ativados os disjuntores H, H1 e H2, de maneira que a
corrente de curto-circuito percorresse apenas as duas últimas impedâncias. Assim, a magnitude da falta aumenta e é esperado um afundamento de tensão mais severo em relação à primeira situação. Pela Figura 4.22 é possível observar que a tensão eficaz encontra-se acima da
curva num primeiro instante do afundamento de tensão, mas devido a sua longa duração acaba
por ficar abaixo da curva de LVRT acionando assim o disjuntor através de pulsos lógicos de
valor 1 mostrados na Figura 4.23.
Figura 4.23 – Nível lógico do BRK do controle do disjuntor
quando condição LVRT não é satisfeita na situação 2.
57
Mesmo após 5 segundos é possível notar que a tensão ainda tenta retornar ao seu valor
nominal durante 0,6 segundo deixando o sinal de BRK ainda em 1 durante esse tempo. Observa-se que a partir de 3,6 segundos o disjuntor é acionado e o aerogerador é desconectado
da rede. Observa-se também que o sinal de BRK não permanece constante, pois durante a ocorrência da falta há pulsos de tensão que ficam acima de LVRT por centésimos de segundos.
Na prática, deve ser implementado um tipo de temporização na proteção, de maneira que após
acionado o disjuntor, este só deve fechar novamente quando o nível 0 (Vrms_pu>LVRT) durar um tempo mínimo, como por exemplo 1 segundo, isto para que não haja aberturas e fechamentos sucessivos do disjuntor.
4.4.3 – SITUAÇÃO 3: FALTA COM AFUNDAMENTO DE TENSÃO DE
GRANDE
SEVERIDADE E COM DURAÇÃO DE 0,5 SEGUNDO
Na situação 3 a falta ocorre entre 3 e 3,5 segundos com a diferença que neste caso a falta é originada por um curto-circuito franco (impedância de curto-circuito tendendo a nula). O
controle para simular essa falta foi através da ativação dos 5 disjuntores que constituem o circuito da falta. Assim a corrente de curto-circuito tem sua maior magnitude, pois percorre um
caminho de baixíssima impedância. Como pode ser visto na figura 4.24 o afundamento de
tensão atinge a maior queda, para 0,2 pu, em relação às situações apresentadas.
É perceptível que o nível de tensão durante a falta se manteve um pouco abaixo dos
20% impostos pela curva. Ainda que tenha ocorrido a mesma condição de variação de tensão
58
acima e abaixo da curva de LVRT por breves instantes foi considerado a mesma filosofia de
proteção adotada no segundo caso, em que o disjuntor após ser acionado só volta a fechar após o sinal BRK se mantiver por 1 s em nível 0. Desta forma a atuação da proteção durou entre 3.2 a 3.5 segundos. Como pode ser visto na figura 4.25, o sinal de BRK manteve a tendência de acionamento durante este intervalo, ainda que em alguns instantes tenha voltado a zero
pelas razões já mencionadas acima.
Figura 4.25 – Nível lógico do controle BRK quando condição LVRT não é satisfeita na situação 3.
Considerando a filosofia de proteção de tempo mínimo de fechamento do disjuntor,
pode se dizer que na situação 3 o aerogerador permaneceu fora da rede por um tempo mínimo
de 4.2 segundos, caso este tempo de religamento do disjuntor seja de 1 segundo.
4.4.4 – SITUAÇÃO 4: FALTA COM AFUNDAMENTO DE TENSÃO DE GRANDE
SEVERIDADE E COM DURAÇÃO DE 2 SEGUNDOS
A situação 4 representa neste trabalho o último desafio à lógica de acionamento do sinal
de BRK, tendo em vista que já foram testados seu correto funcionamento em três situações:
9 Tensão dentro dos limites da curva LVRT – Situação 1;
9 Tensão abaixo dos limites da curva LVRT após tolerância de duração de falta, ou seja,
atuação da proteção durante faltas de grande duração – Situação 2;
59
9 Tensão abaixo dos limites da curva LVRT durante a falta, ou seja, mesmo a falta durando o tempo permitido pela ONS (0,2 segundos), sua magnitude foi tal que ficou abaixo da curva de LVRT – Situação 3.
Nesta situação será avaliada a continuidade do sinal BRK em condição de uma falta de grande
intensidade e longa duração.
Na configuração desta falta foram acionados os 5 disjuntores da Figura 4.19, tendo sido
estabelecido a duração da falta no intervalo de tempo entre 3 a 5 segundos. A corrente irá percorrer novamente um caminho de baixíssima impedância, assim como na situação 3, mas com
o diferencial que isto deve ocorrer durante 2 segundos. A Figura 4.26 mostra o afundamento
de tensão da situação 4.
Pode-se perceber que como na situação 3, a tensão demora aproximadamente 0,7 segundo a se
recuperar. Nesta situação o sinal deve manter a tendência de nível lógico 1. A figura 4.27
mostra a atuação do sinal de BRK no devido tempo em que a tensão eficaz manteve tendência
de ficar abaixo da curva LVRT.
60
Figura 4.25 – Nível lógico do BRK em 1 quando condição LVRT não é satisfeita na situação 4.
Considerando a filosofia de proteção utilizada nos casos anteriores, o aerogerador deve permanecer desconectado da rede num intervalo de 3,2 a aproximadamente 6,7 segundos (incluindo tempo mínimo de 1 segundo para religamento do disjuntor).
Através deste caso, foi testada a ativação do sinal de BRK ao longo de 2 segundos e como pode ser visto no gráfico da Figura 4.25, ocorreu a correta ativação do disjuntor neste período,
considerando ainda o tempo de recuperação da tensão pós-falta.
4.5 – CONCLUSÃO
Neste capítulo foi realizada a simulação de um aerogerador sob condições de afundamento de tensão. Quatro situações foram simuladas com o propósito de verificar a atuação da
proteção em condições distintas de afundamento de tensão. Nas quatro situações o que foi denominado relé LVRT atuou de forma devida acionando a abertura do disjuntor através do sinal BRK em nível lógico igual a 1.
Em relação ao fechamento do disjuntor após a falta, neste trabalho é considerado que
mesmo com o sinal de BRK retornando à 0, indicando fechamento do disjuntor, o religamento
físico do disjuntor só ocorrerá de acordo com uma filosofia de proteção, onde após 1 segundo
de sinal BRK em 0 ocorrer o real fechamento do disjuntor.
61
Foram apresentados os resultados através de gráficos gerados pelo PSCAD, onde foi
possível averiguar a correta atuação do relé LVRT quando a tensão eficaz no PCC se encontrava abaixo da curva LVRT definida pela ONS.
62
CAPÍTULO 5
CONCLUSÃO E DESENVOLVIMENTO FUTURO
5.1 - CONCLUSÃO
Neste trabalho é apresentado o programa computacional PSCAD/EMTDC com o propósito de simular o comportamento da proteção de um sistema eólico em situação de afundamento de tensão. O programa mostra a atuação do relé de acordo com a tensão nos terminais
do aerogerador, de forma que seus valores obedeçam à curva low voltage ride-through definida pelo ONS.
O PSCAD/EMTDC possui uma biblioteca principal formada por vários blocos representativos, ao mesmo tempo em que permite uma fácil construção de novos componentes e funcionalidades através de blocos lógicos, como no caso da construção do relé responsável por
enviar o sinal de trip mediante condição de violação de valores de referência de nível de afundamento de tensão e de tempo, segundo estabelecido pelo ONS e aprovado pela Aneel.
Foram descritos de forma breve os sistemas elétricos de alguns dos principais países que
utilizam a tecnologia de geração eólica, assim como dois dos requisitos principais de operação
de plantas eólicas conectadas ao sistema elétrico, suportabilidade a afundamento de tensão e
variação de freqüência da rede. Dentre estes países encontram-se Alemanha, Portugal, Dinamarca e Brasil. Dentre os analisados foi possível perceber que a Alemanha apresenta maior
rigor no que diz respeito aos requisitos de suportabilidade de aerogeradores a afundamentos
de tensão, tendo em vista que esta exige a suportabilidade de queda de tensão de até 100 %
durante 0,15 segundos. Outro ponto a ser destacado é que os requisitos de afundamento de
tensão no Brasil, os quais são aplicáveis apenas ao sistema de transmissão e não ao sistema de
distribuição, o que denota flexibilidade nas exigências de conexão de aerogeradores ao nosso
sistema elétrico.
Por fim foi realizada a simulação do estudo de caso no programa PSCAD/EMTDC. O
sistema montado é composto basicamente por duas partes: O sistema elétrico que foi disponibilizado no site do PSCAD e o bloco lógico que representa o relé que acionará a proteção do
aerogerador. Para testar a lógica implementada no diagrama de blocos foram realizadas simulações com quatro situações distintas e em todas foi possível observar a atuação devida do
bloco quando a tensão se encontrou abaixo da curva LVRT. A simulação das quatro situações
tem como propósito colocar sob prova a lógica do relé em situações onde a falta varia em
CAPÍTULO 5 – Conclusão e Desenvolvimento Futuro
63
tempo de ocorrência e em sua magnitude. Os resultados se mostraram satisfatórios de modo
que a lógica desenvolvida no relé foi implementada com sucesso.
5.2 - DESENVOLVIMENTO FUTURO
Um próximo passo para este trabalho é a implementação de um contador de tempo na
situação em que a tensão nominal esteja abaixo da curva LVRT, ou seja, o sinal de trip ser
enviado após a tensão na entrada do aerogerador se encontrar abaixo da curva após determinado período de tempo. Desta forma o funcionamento do relé estará restrito a afundamentos
de tensão consideráveis, e não suscetível a qualquer variação brusca e rápida de tensão.
Outro desenvolvimento interessante é a análise da reação do sistema sob diversos tipos
de curto-circuitos (monofásico-terra, bifásico entre fases, bifásico-terra, trifásico entre fases,
trifásico-terra) e comparar o nível de afundamento de tensão que ocorre nos terminais da planta eólica. Ainda, outra opção interessante é aumentar a complexidade do sistema adicionando
cargas de outras naturezas em outros pontos do sistema e verificar a reação do PCC com a ocorrência de curto-circuito em outros pontos do sistema.
A realização da simulação do mesmo sistema no PSCAD e com outros simuladores é
outra possibilidade para comparar o desempenho das diversas ferramentas computacionais
para um mesmo sistema.
CAPÍTULO 5 – Conclusão e Desenvolvimento Futuro
64
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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simulação da proteção de aerogerador sob regime de - DEE

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