Reguladores de Velocidade - Laboratório de Sistemas de Potência

Reguladores de Velocidade e
Regulação Primária
Controle de Freqüência Aspectos Gerais
Ë
Razões Principais
Contínua variação da carga;
Eventos não previstos (contingências);
Requisito de Freqüência Constante;
» Equilíbrio entre Geração e Carga a cada instante.
Ë
Ações de Controle
Regulação Primária ou Controle de Velocidade;
» Reserva Instantânea (Girante) → Disponível dentro de 10 a 20 segundos.
Regulação Secundária ou Controle Suplementar (CAG);
» Reserva Rápida → Disponível dentro de 1 a 10 minutos.
Regulação Terciária;
» Reserva de Prontidão (Backup) → Disponível dentro de 30 a 60 minutos.
Interrupção de Carga;
» Automática (ERACs) ou voluntária (ofertas de redução de demandas).
1
Controle de Freqüência Regulação Primária
Centro de
Operação
do Sistema
Controle Terciário
de Tensão
~
Unidade de Geração
Pe, ω, f
Regulador
Automático de
Tensão
Sistema de
Excitação
água ou
vapor
Controle
Secundário de
Tensão
Estabilizador do
Sistema de Potência
Ref
VT
Válvula
Turbina
Pe
Gerador Síncrono
ω
Regulador de
Velocidade
Despacho
Econômico
f
Controle
Automático de
Geração
Fluxo de
Intercâmbio
Ref
VP
S
i
s
t
e
m
a
d
e
T
r
a
n
s
m
i
s
s
ã
o
Outros
Controles
(FACTS,
LTCs,
etc.)
~
2
Controle de Freqüência Regulação Primária
Ë
Resposta natural de cada unidade geradora às
variações de carga
Determinada pelas características do Regulador de
Velocidade:
» Característica descendente – Estatismo (R);
» Estatismo: inverso do ganho estático da malha de controle.
Efetiva repartição de geração entre as máquinas;
Gerador deve estar disponível para aumentar ou
diminuir a geração;
Ë
Carga contribui para o equilíbrio
Característica de variação da carga com a freqüência (D).
3
Característica Estática de Freqüência:
Estatismo Permanente
Ë
Determina as características estáticas da malha
de controle:
4
Controle de Velocidade de Turbinas Hidráulicas –
Estatismo Transitório
Ë
Comportamento típico de Turbinas Hidráulicas:
redução transitória de potência após abertura do
distribuidor
Ë
Necessidade de redução transitória do ganho da
malha de controle para garantir comportamento estável;
Ë
Redução transitória de ganho proporcionada pela
inserção de um estatismo transitório r no projeto do
regulador;
Ë
Ganho inversamente proporcional ao estatismo ⇒
r>R
5
Resposta Transitória de Turbinas Hidráulicas
6
Implementação do Estatismo
Ë
Regulador Isócrono
Não apresenta estatismo;
Ilustração via implementação hidráulico-mecânica.
Ë
Regulador com queda de velocidade
(turbogeradores):
Realimentação rígida entre servopistão e sensor de velocidade;
Não apresenta estatismo transitório;
Ilustração via implementação hidráulico-mecânica.
Ë
Regulador com queda de velocidade transitória
(turbinas hidráulicas):
Realimentação “flexível” entre servopistão e sensor de velocidade;
Amortecedor hidráulico na realimentação ⇒ estatismo transitório;
Ilustração via implementação hidráulico-mecânica.
7
Regulador de Velocidade para Turbinas a Vapor
Regulador Isócrono
8
Regulador de Velocidade para Turbinas a Vapor
Regulador com Queda de Velocidade
9
Regulador de Velocidade para Turbinas
Hidráulicas
10
Regulação Primária de Sistema Isolado:
Exemplo Ilustrativo
Ë
Sem Regulador
Desvio a um degrau de carga:
Δ f (∞ ) = −
ΔL
D
Comentário: Desvio de freqüência é limitado apenas
pela redução de carga com a queda de freqüência
Ë
Com Regulador
Desvio a um degrau de carga:
Δ f (∞ ) = −
ΔL
D +
1
R
Comentários: Desvio de freqüência limitado não só por
D, mas também pelo inverso do estatismo permanente
11
Regulação Primária de Sistema Isolado:
Exemplo sem Regulador
» Seja: Pot. Nominal => Pn = 2000
MW
» Carga Nominal => PL = 1000 MW
» Constante de Inércia => M = 1/6 s
» Variação Carga/freqüência => D =
1%
D =
PL
Pn
0 . 01 × f 0
0 . 01 ×
=
1000
2000
60
» Para um incremento de carga =>
=
1
120
puMW
Δ L = 20 MW
/ Hz
= 0 . 01 pu
Regulador Bloqueado:
Δ f (∞ ) = −
ΔL
0 . 01
= −
1
D
120
= − 1 . 2 Hz
f ( ∞ ) = f 0 + Δ f ( ∞ ) = 60 − 1 . 2 = 58 . 8 Hz
12
Regulação Primária de Sistema Isolado:
Exemplo com Regulador
»
»
»
»
»
Seja: Pot. Nominal => Pn = 2000 MW
Carga Nominal => PL = 1000 MW
Constante de Inércia => M = 1/6 s
Variação Carga/freqüência => D = 1/120 puMW / Hz
Estatismo => R = 4 %
0 . 04 × 60 Hz
Hz
= 2 .4
puMW
puMW
= 0 . 01 pu
Para um incremento de carga => Δ L = 20 MW
R =
»
0 . 04 puHz
puMW
=
Regulação Primária:
Δ f (∞ ) = −
ΔL
1
D +
R
= −
0 . 01
1
120
+ 1
f ( ∞ ) = f 0 + Δ f ( ∞ ) = 60 − 0 . 0235
= − 0 . 0235 Hz
2 .4
= 59 . 9765 Hz
13
Regulação Primária de Sistema Isolado:
Comentários sobre Exemplo com Regulador
O suprimento do degrau de carga é composto de 3
componentes:
» Energia tomada emprestada da energia cinética das massas girantes do
sistema (Queda de velocidade);
» O aumento da geração, provocado pela ação do regulador;
» A redução da carga, por efeito da queda de freqüência.
Assim:
1
0 . 0235 × 2000
× Δ f (∞ ) =
Mw = 19 . 6 Mw
R
2 .4
0 . 0235 × 2000
Δ PL ( ∞ ) = D × Δ f ( ∞ ) = −
Mw = − 0 . 4 Mw
120
Δ Pm ( ∞ ) = −
Δ Pm
( ∞ ) − Δ PL
( ∞ ) = 19 . 6 − ( − 0 . 4 ) = 20 Mw
= Δ L
14
Regulação Primária de Sistema Isolado:
Resposta Transitória
15
Duas Áreas Interligadas sem
Regulação Primária
16
Duas Áreas Interligadas com
Regulação Primária
17
Regulação Primária de Duas Áreas Interligadas:
Comportamento Transitório - I
¾
Simplificações:
ƒ Áreas iguais: M1 = M2, D1 = D2, R1 = R2;
ƒ Dinâmicas de reguladores e turbinas “instantâneas” (TR=TC≈0).
¾
Resposta de desvio de freqüência da Área 1 a
degrau de carga na mesma área.
18
Regulação Primária de Duas Áreas Interligadas:
Comportamento Transitório - II
19
Regulação Primária de Duas Áreas Interligadas:
Comportamento Transitório - III
G1(s) ←
20
Regulação Primária de Duas Áreas Interligadas:
Comportamento Transitório - IV
→ G(s)
G1(s) ←
21
Regulação Primária de Duas Áreas
Interligadas:
Comportamento Transitório - V
¾
Função de Transferência G(s):
β ( Mβ s 2 + s + Tβ )
1
ΔF1 ( s )
G( s ) =
,
D
=−
β
=
+
( Mβ s 2 + s + 2Tβ )( 1 + Mβ s )
R
ΔPL1 ( s )
¾
Respostas a um degrau de carga na área 1, de amplitude ΔL:
−
βt
e 2M
β2
1
1 − βMt
2T
Δf1 ( t ) = ΔL ( −
+
e −
sen(
−
t +φ )
2
2
M 4M
2β 2β
8TM − β
βt
−
⎡
⎛ 2T
⎞⎤⎥
e 2M
β
ΔL ⎢
1−
cos⎜⎜
t + ϕ ⎟⎟
ΔPTL ( t ) = −
−
2
2
⎥
2 ⎢
M 4M
1−ζ
⎝
⎠
⎣
⎦
22
Regulação Primária – Duas Áreas Interligadas
Resposta Transitória de Desvio de Freqüência
−
βt
e 2M
1
1 −M
2T
β2
e −
Δf1 ( t ) = ΔL ( −
+
sen(
−
t +φ )
2
2
2β 2β
M 4M
8TM − β
βt
0
-0.02
-0.04
-0.06
-0.08
-0.1
-0.12
-0.14
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
23
Regulação Primária – Duas Áreas Interligadas
Resposta Transitória de Desvio de Intercâmbio
βt
−
⎡
2M
⎛ 2T
⎞⎤⎥
ΔL ⎢
e
β
ΔPTL ( t ) = −
−
1−
cos⎜⎜
t + ϕ ⎟⎟
2
2
2 ⎢
1−ζ
⎝ M 4M
⎠⎥⎦
⎣
0
-0.01
-0.02
-0.03
-0.04
-0.05
-0.06
-0.07
-0.08
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
24
Regulação Primária –Duas Áreas Interligadas –
Desvios de Freqüência e PTL em Reg. Perm.
Ë
Desvio de Freqüência face a degraus de carga ΔL1 e ΔL2 :
ΔL1 + ΔL2
ΔL1 + ΔL2
ΔF ( ∞ ) = −
=−
β1 + β 2
⎛
1⎞ ⎛
1⎞
⎜⎜ D1 + ⎟⎟ + ⎜⎜ D2 + ⎟⎟
R1 ⎠ ⎝
R2 ⎠
⎝
Ë
Desvio de Potência de Intercâmbio:
1
1
) ΔL2 − ( D2 + )ΔL1
β ΔL − β 2 ΔL1
R1
R2
= 1 2
1
1
β1 + β 2
( D1 + ) + ( D2 + )
R1
R2
( D1 +
ΔPTL ,12 =
25
Regulação Primária Sistema Multimáquinas
Num sistema multimáquinas, dada uma variação de
carga, esta é absorvida por todas as unidades
geradoras de acordo com a característica de
regulação dos respectivos reguladores de velocidade
das turbinas, que é descendente.
A freqüência se estabiliza em um novo valor: F 1 ≠ F 0
F
(Hz)
F
F
tg α1 = R1
tg α2 = R2
(Hz / Mw)
tg α3 = R3
F0
F1
α1
PG10
α2
PG11
P G1(MW)
PG20
α3
PG21
PG2
PG30
PG31
PG3
26