análise do perfil de tensão de uma rede de distribuição com gerador

ANÁLISE DO PERFIL DE TENSÃO DE UMA REDE DE DISTRIBUIÇÃO COM
GERADOR DE INDUÇÃO EQUIPADO COM REGULADOR DE VELOCIDADE
Adélio José de Moraes*,
Alex Reis*,
Carlos Henrique Salerno*, Cezar Alfredo de Aguiar*,
[email protected]
[email protected]
[email protected]
[email protected]
Ezequiel Junio de Lima*, Geraldo Caixeta Guimarães*, Gustavo S. Salge*, João Carlos O. Almeida**
[email protected] [email protected] [email protected] [email protected]
*Universidade Federal de Uberlândia, Faculdade de Engenharia Elétrica, Uberlândia – MG
** Centrais Elétricas do Norte do Brasil S/A, Brasília – DF
Resumo - O trabalho aqui proposto é concernente a
avaliação dos níveis de tensão ao longo de uma linha de
distribuição quando da utilização de um gerador de
indução com controle de velocidade, na forma de geração
distribuída. O estudo foi realizado para as situações em
que os efeitos do regulador de velocidade são desprezados
e considerados, nas condições críticas de mínimo e
máximo carregamento da rede de distribuição onde o
gerador de indução está conectado. Quando não se
considera o regulador, pode ser observada para o caso de
mínimo carregamento, uma pequena variação de tensão
no circuito da rede de distribuição, porém para a
condição de máximo carregamento verificou-se uma
tendência de uma acentuada queda de tensão desde o
barramento do transformador até a conexão do gerador
de indução. No entanto quando os efeitos dinâmicos do
regulador de velocidade do gerador de indução são
considerados os resultados obtidos nas simulações
mostram uma melhora no perfil de tensão da rede.
Palavras-Chave - Geração Distribuída, Gerador de
Indução, Regulador de Velocidade, Perfil de Tensão,
Modelagem Matemática, Simulação Computacional
VOLTAGE PROFILE ANALYSIS OF A
DISTRIBUTION GRID WITH INDUCTION
GENERATOR EQUIPPED WITH SPEED
GOVERNOR
Abstract - This work is concerned to voltage level
assessment of a distribution grid containing an induction
generator with speed governor and work as a distributed
generator. The studies were accomplished for extreme
system conditions of minimum and maximum demand.
The simulation results shows that when the governor
dynamics effects are not considered, the minimum system
demand leads to small voltage changes throughout the
distribution system. On the other hand, strong voltage
drops can be verified from substation to the generator for
the condition of maximum system demand. However, in
latter case, there is an improvement in the voltage profile
when the induction generator governor is present.
1
Keywords – Distribution Generation, Induction
Generator,
Speed
Governor,
Voltage
Profile,
Mathematical Modeling, Computer Simulation
I. INTRODUÇÃO
A utilização de Geração Distribuída não é uma prática
recente e grande parte dos países no mundo todo,
principalmente os desenvolvidos, vem se valendo deste
procedimento como uma das formas alternativas de se gerar
energia elétrica, possuindo técnicas de implementação já bem
conhecidas, haja visto a vasta literatura sobre o assunto. Se
refere à instalação de pequenas unidades geradoras no
sistema próximas ao local de consumo, estando ou não
conectado a rede de distribuição de energia, despachadas ou
não pelo ONS – Operador Nacional do Sistema Elétrico.
Qualquer tecnologia de conversão de energia em menor
escala faz parte das fontes de energia que podem ser
utilizadas como forma de geração distribuída, ainda que o
Proinfra, Programa de Incentivos às Fontes Alternativas de
Energia Elétrica, limite seus incentivos apenas a utilização de
energia eólica, PCHs e biomassa.
As concessionárias de energia elétrica já demonstram
certa preocupação com a idéia de conexão de fontes de
energia em seu sistema de distribuição, haja vista que estas
não possuem configuração apropriada para receberem fontes
de geração de energia elétrica. Um dos principais problemas
técnicos observados com esta prática é a elevação das
tensões nodais quando o carregamento do circuito de
distribuição é baixo [1], sendo que, de uma forma geral
isto ocorre devido ao baixo valor da relação X/R e devido a
topologia de forma radial destes sistemas [2]. No entanto,
deve-se observar que o principal problema com geradores de
indução conectados a rede de distribuição não é a elevação
de tensão considerando o baixo carregamento, e sim a queda
de tensão para condições de máximo carregamento [3].
Os geradores de indução conectados aos sistemas de
distribuição em sua maioria são acionados por turbinas
eólicas [1], no entanto sua utilização em pequenas usinas
termoelétricas e hidroelétricas tem sido considerada,
principalmente por produtores independentes de energia
elétrica. Ainda que em alguns estudos realizados, o
acionamento do gerador de indução em sistemas distribuídos
tenha a característica de conjugado constante [3], neste
trabalho a dinâmica dos reguladores de velocidade será
considerada. Os resultados obtidos com o estudo
comparativo entre o comportamento do sistema de geração
desconsiderando e levando-se em conta a atuação de
reguladores de velocidade, mostram que com o uso destes
reguladores os níveis de tensão da rede de distribuição
podem permanecer em patamares aceitáveis.
III. MODELO MATEMÁTICO DO GERADOR DE
INDUÇÃO
II. DESENVOLVIMENTO
O modelo matemático do gerador de indução, composto
pelas equações elétricas e mecânicas é apresentado na
seqüência e representa o comportamento dinâmico de uma
máquina de indução de gaiola simples, não se levando em
conta os transitórios do estator [5]. Parte da potência reativa
consumida pelo gerador de indução é fornecida por um
banco de capacitores com valor igual a 1/3 de sua potência
nominal [1].
Para a obtenção dos resultados do trabalho desenvolvido
será utilizado o esquema da Figura 1., onde o diagrama
unifilar de um sistema de distribuição é mostrado. O sistema
de transmissão é de 138 kV, 60 Hz e alimenta um sistema
distribuição de 13.8 kV através de um transformador ∆/Y. O
tap do transformador é ajustado de forma a manter os níveis
aceitáveis de tensão [4], quando da não utilização de
geradores na rede de distribuição. Será instalado 1 gerador
de indução de 15 MW controlado por um regulador de
velocidade na barra 6 através de transformadores ∆/Y de
13.8/0.44 kV.
Serão realizadas simulações para as condições de mínimo
carregamento, onde se considera 0% de carga e máximo
carregamento, considerando e desconsiderando a utilização
do controle de velocidade no gerador de indução. O perfil de
tensão do sistema será a grandeza analisada com os
resultados obtidos nas simulações computacionais. Através
deste perfil será possível concluir quanto aos efeitos do
regulador de velocidade nas tensões das barras.
O modelo matemático do gerador de indução e o esquema
do regulador de velocidade utilizados neste estudo, são
mostrados na seqüência.
Equações elétricas:
E ' − V = ( Rs + jX ' ) I
[ j( X − X ' )I − E ' ]
pE ' = − j 2π fSE ' +
T 'o
(1)
(2)
Onde:
E’ -é a tensão interna proporcional ao fluxo
concatenado (V);
V
-é a tensão terminal da máquina (V);
Rs -é a resistência do estator (Ω);
X’ -é a reatância de rotor bloqueado (Ω);
I
-é a corrente do estator (A);
X
-é a reatância de circuito aberto (Ω);
T’o -é a constante de tempo transitória de circuito
aberto do rotor (s);
f
-é a freqüência nominal (Hz).
Equações mecânicas:
d
(Tm − Te )
S =
dt
2H
Te = Re[ E ' I ∗ ]
(3)
(4)
Onde:
S
Tm
Te
H
I*
-é o escorregamento do rotor;
-é o conjugado mecânico (N.m);
-é o conjugado elétrico (N.m);
-é a constante de inércia (s);
-é o complexo conjugado da corrente do estator (A).
IV. REGULADORES DE VELOCIDADE
Fig.1. Diagrama unifilar do sistema em estudo
Os reguladores de velocidade têm sua aplicação de forma
geral com os geradores síncronos, com o intuito de
restabelecer a freqüência do sistema de potência após um
desequilíbrio carga/geração [6]. Isto porque apesar do
sistema mostrar uma tendência de se auto-regular e atingir
um novo estado de equilíbrio, tal estado não é satisfatório
para a operação do sistema que normalmente possui
inúmeras cargas que operam dentro de uma estreita faixa de
freqüência. Desta forma o restabelecimento mencionado é
necessário para manter a freqüência o mais próximo de seu
valor nominal, por exigência do próprio consumidor.
No caso do gerador de indução, sempre que sua
velocidade varia, devido a uma perturbação no sistema
elétrico, o seu regulador atua no sentido de restabelecer tal
velocidade a um valor bastante próximo da condição nominal
de operação. Neste sentido, este regulador de velocidade
opera somente como uma forma de “regulação primária”, já
que a manutenção de uma freqüência constante na rede, ou
seja a “regulação secundária” que restabelece a freqüência
ao seu valor nominal, como já foi mencionada, é função
dos grupos de geradores síncronos ligados ao centro de
controle da operação do sistema.
O modelo do regulador de velocidade utilizado neste
estudo, e mostrado de forma esquemática na Figura 2., é
sensibilizado pela proximidade da tensão nas barras aos
valores críticos de tensão definidos em [4] e pode ser
utilizado tanto no controle de turbinas térmicas como
hidráulicas.
V. RESULTADOS OBTIDOS
Os resultados obtidos nas simulações e mostrados a
seguir, destacam o perfil de tensão nas barras do sistema para
diferentes casos de operação. A primeira simulação se refere
à operação do sistema com mínimo carregamento, sendo que
as restantes tratam do sistema operando com máximo
carregamento. Neste caso uma das simulações leva em conta
o gerador de indução operando sem controle de velocidade e
a outra considera este controle utilizando o regulador de
velocidade.
O resultado mostrado na Figura 3. está relacionada aos
valores de tensões nas barras para a simulação computacional
que considera o mínimo carregamento. A Figura 4. refere-se
também aos valores de tensões nas barras, porém para a
condição de máximo carregamento, sem e com o controle de
velocidade no gerador de indução.
Fig.3. Tensão nas barras do sistema para a condição de mínimo
carregamento
Fig.2. Regulador de velocidade do gerador de indução
Onde:
Wref -é a velocidade de geração inicial tomada como
referência (rad/s);
Wger -é a velocidade real do gerador de indução
(rd/s);
Gb
-é o ganho do “flyball”;
Tb
-é a constante de tempo do “flyball” (s);
R
-é o fator de regulação da válvula de controle;
T1
-é a constante de tempo da válvula de controle (s);
Ps
-é a potência especificada (MW);
Gmax -é o limite de potência (MW);
T2 , T3 -são as constantes de tempo da turbina (s);
Pm
-é a potência mecânica (N.m)
Fig.4. Tensão nas barras do sistema para a condição de máximo
carregamento
Nos gráficos mostrados nas figuras ficam determinados os
valores críticos de tensão, estipulando para o valor mínimo
93%, e como valor máximo 105% da tensão nominal [4].
Pode-se observar pelo resultado mostrado na Figura 3. que
para a condição de mínimo carregamento houve apenas uma
pequena queda de tensão (menos que 3%) desde o
barramento do transformador até a barra onde se encontra o
gerador de indução, ficando então os níveis de tensão dentro
dos limites críticos. No entanto os resultados observados na
Figura 4. mostram que para a condição de operação do
sistema com máximo carregamento, quando não se considera
o controle de velocidade do gerador de indução, ocorre uma
queda de tensão que ultrapassa o limite mínimo a partir da
barra 5. Na barra em que se encontra o gerador de indução
esta queda
ultrapassa o limite mínimo de tensão em
aproximadamente 1%, sendo que a queda total de tensão
desde o barramento do transformador até o gerador de
indução atinge um valor próximo a 9%. No entanto
analisando ainda o mesmo gráfico, verifica-se que estando o
gerador de indução com controle de velocidade, o limite
mínimo de tensão não é ultrapassado, ficando no limiar desta
condição. Isto ocorre porque, como já foi mencionado, o
regulador de velocidade é sensibilizado pela proximidade da
tensão da barra aos valores críticos de tensão do sistema,
fazendo com que o gerador de indução diminua sua
contribuição de potência para o sistema.
V. CONCLUSÕES
Foram investigados neste trabalho aspectos operacionais
de um sistema de distribuição no que se refere ao seu mínimo
e máximo carregamento e níveis de tensão aceitáveis quando
da implementação de um gerador de indução como forma de
geração distribuída. Inúmeros relatos da literatura abordam
esta situação com certo pessimismo e com razão, haja vista
as alterações dos níveis de tensão que a conexão, não só de
geradores de indução mas também geradores síncronos,
provocam no sistema de distribuição, que de uma forma geral
não é apropriado para receber tais geradores. No entanto,
investigações caso a caso podem ser realizadas, como foi
neste trabalho, com intuito de se solucionar ou pelo menos
mitigar o rigor destes problemas.
O estudo aqui desenvolvido ficou limitado apenas ao
gerador de indução conectado a um sistema de distribuição e
para a condição de máxima geração. As condições limite de
carregamento foram consideradas, sendo que para a condição
de máximo carregamento, duas situações distintas foram
consideradas: gerador de indução operando sem controle de
velocidade e com o controle do regulador de velocidade.
Quando o sistema operou na condição de mínimo
carregamento, pode-se observar que os níveis de tensão nas
barras ficaram dentro dos valores limites de tensão. No
entanto na condição de máximo carregamento do sistema,
desconsiderando a regulação de velocidade do gerador de
indução, a tensão chegou abaixo do limite mínimo imposto
para o sistema em pelo menos uma barra, o que não ocorreu
quando se considerou o controle do regulador de velocidade
no gerador. Ainda que tal processo de manutenção da tensão
seja à custa de uma diminuição da potência fornecida pelo
gerador, desinteressante em termos econômicos, em muitos
casos seria uma solução técnica viável, até porque o sistema
opera em condições de máximo carregamento durante
limitados períodos de tempo.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] N. Jenkins, R. Allan, P. Crossley, D. Kirschen, G.
Strbac, Embedded Generation, 1 edn, Institute of
Electrical Engineers., 2000.
[2] C. L. Masters, Voltage Rise: the big issue when
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lines, Power Eng. Journal, vol. 16, no. 1, pp.5-12, 2002.
[3] F. Walmir, M.F. André, M.V.JR. José Carlos, P.S. Luiz
Carlos, F.C. Vivaldo, Análise Comparativa entre
Geradores Síncronos e Geradores de Indução com Rotor
tipo Gaiola de Esquilo para aplicação em Geração
Distribuída, Revista Controle e Automação, vol. 16, no.
3, pp. 332-344, 2005.
[4] ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica,
“Resolução 676”, Dez. 2003.
[5] E.J.P. Pacheco, Induction Motor Starting in an Electrical
Power System Transient Stability Program, M.Sc.
Dissertation, UMIST, 147 p., 1975.
[6] R.M. Wright, Understanding Modern Generator Control,
IEEE Transactions on Energy Conversion, vol. 4, no 3,
pp. 453-458, 1989.