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Introdução a Engenharia Elétrica - EnergiaLeonardo Willer de Oliveira

Universidade Federal de Juiz de Fora - UFJF

Introdução a Engenharia ElétricaEnergia

Leonardo Willer de Oliveiraleonardo.willer@ufjf.edu.br

11/06/2013

Introdução a Engenharia Elétrica - EnergiaLeonardo Willer de Oliveira

Apresentação

Formação Acadêmica

� Graduação em Engenharia Elétrica (1997-2002)

2

� Mestrado em Engenharia Elétrica (2003-2005)

� Doutorado em Engenharia Elétrica (2006-2009)

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Apresentação

Linhas de Pesquisa

� Planejamento de Sistemas Elétricos de Potência

� Otimização de Sistemas de Potência

� Proteção de Sistemas de Potência

3

� Proteção de Sistemas de Potência

� Planejamento Energético

Grupos de Pesquisa

� Núcleo de Pesquisa em Sistemas de Potência (NUPESP)

� Otimização Heurística e Bioinspirada (líder)

� Grupo de Planejamento Energético (PLANERG)

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Apresentação

Experiência Profissional

� 2007-2009: Professor Substituto

Curso: Engenharia Elétrica - Departamento de Energia Elétrica

4

� 2010: Professor Efetivo

Curso: Engenharia Mecatrônica

� 2010-2013: Professor Efetivo

Curso: Engenharia Elétrica - Departamento de Energia Elétrica

2012 – Vice-coordenador do Curso de Eng. Elétrica – Energia

Membro do NDE do Curso de Eng. Elétrica - Energia

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Habilitação EnergiaPerfil do Profissional

Profissional capacitado a discutir e propor soluções aos desafios

contemporâneos na área de conversão, transporte e uso final de

energia, em suas mais diversas formas de manifestação.

5

, em suas mais diversas formas de manifestação.

Tal profissional compreende seu papel crítico e atuante na sociedade

e no desenvolvimento do país, reconhecendo as implicações

políticas, econômicas, sociais e ambientais de suas intervenções

profissionais.

Além disso, este profissional desenvolve competências ao longo do

curso que o habilita ao exercício pleno das funções de Engenheiro

Eletricista

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Habilitação Energia

Habilidades e Competências

� Propor soluções relacionadas ao setor energético

� Projetar, planejar e analisar os sistemas energéticos

� Desenvolver tecnologias para racionalização do uso de energia

6

� Desenvolver tecnologias para racionalização do uso de energia

em processos industriais

� Desenvolver e identificar técnicas para manutenção de sistemas

energéticos

� Fazer a avaliação econômica de projetos energéticos

� Realizar a gestão de sistemas energéticos

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Habilitação Energia

Conhecimentos Essenciais

� Formação básica

(Matemática, Física, Eletromagnetismo, Circuitos Elétricos, Controle e Eletrônica)

� Termodinâmica

7

� Termodinâmica

� Máquinas Térmicas

� Fontes Primárias de Energia

� Eficiência Energética

� Transporte de Energia

� Planejamento Energético

� Mercado Energético

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Habilitação Energia

Conhecimentos Complementares

� Sistemas de Potência

� Instalações Elétricas Industriais

� Otimização

8

� Otimização

Ênfases da Habilitação

� Fontes Alternativas

� Planejamento Energético

� Co-geração de Energia

� Mercados de Energia Elétrica

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Habilitação Energia

Atividades de Laboratório

� Laboratório de Programação

� Laboratório de Física I

� Laboratório de Química

9

� Laboratório de Química

� Laboratório de Eletrotécnica

� Laboratório de Ciências

� Laboratório de Circuitos Elétricos

� Laboratório de Eletrônica

� Laboratório de Conversão

� Laboratório de Controle

� Laboratório de Energia Solar

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Estrutura do Sistema Elétrico de Potência (SEP)

1010

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� Segmentos

Geração Transmissão Distribuição Consumo

Estrutura do SEP

1111

� Composição Básica

� Geradores – Transformadores – Linhas de Transmissão

� Motores (cargas dinâmicas)

� Cargas Estáticas

� Dispositivos de comando e proteção

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Característica do Sistema Elétrico-Energético Brasileiro (SEB)

CARACTERÍSTICAS DO SEB:

� Sistema hidrotérmico de grande porte

� Predominância de usinas hidraúlicas

� Único em âmbito mundial (tamanho e características)

1212

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41 38 40 42 44 46 48 50 5356 59 62 64

50

60

70

41 38 40 42 44 46 48 50 5356 59 62 64

50

60

70

41 38 40 42 44 46 48 50 5356 59 62 64

50

60

70

Evolução do Consumo deEnergia Elétrica no Brasil

41 38 40 42

0

10

20

30

40

2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012

GWano

Crescimento anual ≈ 5% Projeção

41 38 40 42

0

10

20

30

40

2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012

GWano

41 38 40 42

0

10

20

30

40

2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012

GWano

Crescimento anual ≈ 5% Projeção

13Fonte: ONS 13

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Integração Eletroenergética

14Fonte: ONS

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Potencial Hidráulico Brasileiro Total e Explorado

258,41

150

200

250

300

Po

ten

cia

l (G

W)

28,2

41,0

47,8

40,4

30,0

40,0

50,0

60,0

Po

ten

cia

l E

xp

lora

do

(%

)

78,716

42,0326,268

111,396

0

50

100

150

Brasil Sudeste Sul Nordeste Norte

Po

ten

cia

l (G

W)

28,2

8,9

0,0

10,0

20,0

30,0

Brasil Sudeste Sul Nordeste Norte

Po

ten

cia

l E

xp

lora

do

(%

)

15

16

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Diagrama Esquemático das UHEs

Rio

Co

rum

bá

Rio

Pa

ran

aíb

a

Rio

Ara

gu

ari

Corumbá I

Emborcação

Nova Ponte

Miranda

1

3

4

Bacia do Paranaíba

17

Itumbiara

CachoeiraDourada

São Simão

23

5

6

7 Jusante de C. Dourada

Montante de C. Dourada

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Representação de Uma UHE Com Reservatório

Vertedouro UHE Tucuruí

18

Vertedouro UHE Tucuruí

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Tipos de Turbinas de UHEs

19

Turbina Francis Turbina Pelton

Turbina KaplanBulbo

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Sistema Interligado Nacional (SIN)

20

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Taxa MédiaTaxa Média

Modelo Anterior Modelo Vigente Através das Leis nº 9648/98 e 10848/04

A Evolução da Expansão da Transmissão

ONS 21Cerca de 35.584 km em 12 anos

Taxa Média3,7% a.a.

Taxa Média

6,9% a.a.

Taxa Média0,96% a.a.

xxx = Extensão total ao fim do anoxxx = Aumento anualxxx = Previsão até 2014

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As previsões de carga para o SIN utilizadas no PAR apresentam taxas médias de

crescimento da ordem de 5,9 % a.a. no período 2010 a 2015. Para os subsistemas

existentes, as taxas médias de crescimento das previsões de carga para o mesmo

período são as seguintes:

Evolução da Carga do SIN

•Norte*: 11,4 % a.a.

•Nordeste: 5,7 % a.a.

•SECO**: 5,4 % a.a.

•Sul: 5,5 % a.a.

* inclui Tucuruí-Manaus-Macapá

**Inclui AC, RO e MS

22

ONS

Bipolos CC, ±600 kV, 2x3150 MW

Conversoras Back-to-Back, 2X400 MW

2º CircuitoPorto Velho – Rio Branco

3º CircuitoJauru - Porto Velho

FBTBFBTB

Principais Obras Propostas Associadas à Integração do Rio Madeira

RACRORACRO

RACRO - Recebimento Acre-Rondônia pelo SIN

600/600/270 MW à partir de 2013

FBTB - Importação do Acre-Rondônia pelo back – to back

600/600/450 MW à partir de 2013

23

Bipolos CC, ±600 kV, 2x2934 MW

LT ±600 kV CC, 2375 km

ONS

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Observações Sobre o SIN

� Atende 98% do mercado de energia brasileiro

� Devido à forte interligação, o nível de investimento em geração pode ser diminuídodiminuído

� Complementaridade entre as bacias hidrográficas

24

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© CCEE

Observações Sobre o SIN

25

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Correlação de Regimes Hidrológicos200 -

160 -

150 -

140 -

120 -

SUDESTE / CO/ N / NE

26

120 -

100 -

80 -

60 -

40 -

20 -

-| | | | | | | | | | | |

JAN FEV MAR ABR MAI JUN JUL AGO SET OUT NOV DEZ

SUL

período secoperíodo úmido

MLT

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6.9kV – 30kV

Geração

Tensões de Fornecimento de Energia Elétrica

27

230kV – 750kV

69kV – 138kV

13.8 kV-23.1kV-34.5kV

50V-1000V

Transmissão (Rede Básica)

Subtransmissão

Distribuição em Alta Tensão

Distribuição em Baixa Tensão

27

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Eletricidade Básica

Tensão Contínuax

Tensão Alternada

28

Tensão Alternada

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V

V(V)

t

Tensão Elétrica Contínua

29

I

I (A)

t

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Tensão Elétrica Alternada

Tensão Senoidal

30

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Conversão Eletromecânica de Energia

Campo MagnéticoEnergia Elétrica Energia Mecânica

3131

Quatro princípios básicos do eletromagnetismo:

1. Lei de Ampère

2. Lei de Faraday

3. Ação Motora

4. Ação Geradora

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Conversão Eletromecânica de Energia1. Lei de Ampère

32

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Conversão Eletromecânica de Energia

→ → → →

⋅ = ⋅∫ ∫l A

H dl J dAH→r

l

A

Necessidade de uma Base de Cálculo

33

→ →

⋅ =∫l

H dl ii

B Hµ→ →

= ⋅

i: correnteH: intensidade de campo magnéticoB: densidade de fluxo magnéticoµ: permeabilidade magnética

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Conversão Eletromecânica de Energia

2. Lei de Faraday

B

θθθθ

( )

cos

cosA

B dA B A

d B Ad

φ θ

θφ

→ →

= ⋅ = ⋅ ⋅

⋅ ⋅

∫

34

n

A ( )cos

ind

d B Ade

dt dt

θφ ⋅ ⋅= − = −

A

B

n

A

B

n

0º B Aθ φ= → = ⋅ 90º 0θ φ= → =

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Conversão Eletromecânica de Energia

� Possibilidades de Indução

� Variação do módulo de B

35

( )cosind

d B Ae

dt

θ⋅ ⋅= −

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Conversão Eletromecânica de Energia

� Princípio de Funcionamento do Transformador

36

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Conversão Eletromecânica de Energia

� Princípio de Funcionamento do Transformador

37

( )cosind

d B Ae

dt

θ⋅ ⋅= −

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Conversão Eletromecânica de Energia

� Possibilidades de Indução

� Variação do Ângulo (θ)

38

( )cosind

d B Ae

dt

θ⋅ ⋅= −

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Conversão Eletromecânica de Energia

� Gerador de Tensão

39

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Planejamento de Sistemas Hidrotérmicos de Geração

40

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Planejamento da Operação

médio prazomédio prazo horizonte: 5 anoshorizonte: 5 anosetapas: mensaisetapas: mensais

NEWAVE

curto prazocurto prazo

programaçãoprogramação diáriadiária

horizonte: 1 a 12 meseshorizonte: 1 a 12 mesesetapas: semanaisetapas: semanais

horizonte: 1 semanahorizonte: 1 semanaetapas: ½ horaetapas: ½ hora

DECOMP

DESSEM

41

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Mercados de Energia

VendedoresGeradores de Serviço Público, Produtores Independentes, Comercializadores

e Autoprodutores

Ambiente de Contratação Regulada(ACR)

Distribuidores(Consumidores Cativos)

Ambiente de Contratação Livre

(ACL)

Consumidores Livres,

Comercializadores

Contratos resultantes de Contratos resultantes de leilões leilões

Contratos livremente Contratos livremente negociadosnegociados

© CCEE

42

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Ambiente de Contratação Livre

Decreto nº 5.163, de julho de 2004

� Operações de compra e venda de energia elétrica, no ACL, envolvem:

• Agentes de Geração

43

• Agentes de Geração

• Comercializadores

• Importadores

• Exportadores

• Consumidores Livres (CL)

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Critérios para se Tornar CL

� Consumidores com demanda mínima de 500 kW, atendidos por qualquer tensãode fornecimento, pode adquirir energia de qualquer fornecedor, desde que aenergia adquirida seja proveniente de PCHs ou de fontes alternativas

� Consumidores especiais: reunião de diversas cargas para totalizar os 500kW edevem comprar energia exclusivamente de usinas incentivadas (desconto de 50%na TUST e TUSD)

44

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Evolução dos Consumidores Livres

45

© CCEE

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Contratação de Energia

46

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� Otimização (PO/PM): cálculo dos preços, escolha do portfólio ótimo

� Estatística: previsão de mercado, preços

� Economia: Regulação econômica, Tarifação

Problemas em Mercados de Energia

47

� Economia: Regulação econômica, Tarifação

� Engenharia: Geração, Distribuição, Transmissão,Regulação técnica

� Oferece problemas em constante transformação(Regras mudam o tempo todo)

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Fontes Alternativas de Energia

48

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Fontes Alternativas de EnergiaFontes de Produção de Energia

BRASIL 2010RENOVÁVEIS = 87,2%

MUNDO 2008RENOVÁVEIS = 18,7%

Hidráulica1,9%

Outras

Nuclear13,5%

Hidráulica (1)

81,2%

49

1 Inclui importação

2 Inclui gás de coqueria

3 Inclui lenha, bagaço de cana, lixívia e outras recuperações

Outras (4)

2,8%

Carvão e Derivados

41,0%

Derivados de Petróleo

5,5%

Gás Natural21,3%

Fontes: EPE [BEN 2011 – Resultados Preliminares]

e IEA [Key World Energy Statistics - 2010]

Biomassa (3)

5,6%

Carvão e Derivados (2)

1.3%Derivados de Petróleo

3,1%

Gás Natural5,8%Nuclear

2,6%

Eólica0,4%

4 Inclui geotermal, solar, eólica, combustíveis renováveis, rejeitos e lenha

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Energia EólicaPOTENCIAL ESTIMADO

143,5 GW ou 272,2 TWh/ano

(equivalente a 53% do mercado atual de energia elétrica)

Este potencial é certamente maior!

(medição acima de 100 m)

CEPELFonte: Atlas do Potencial Eólico Brasileiro [ CEPEL 2001 ]

(medição acima de 100 m)

> 300 GW

50

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� Vantagens e Desvantagens

�Vantagens:• Renovável;• Não-Poluente;

Energia Eólica

�Desvantagens:• Natureza Probabilística da Velocidade dos Ventos

� Intermitência;� Variabilidade.

• Geradores Assíncronos� Requisitos de Suporte de Potência Reativa

• Não-Poluente;• Abundante;• Barata.

51

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Pesquisa Correlata

Support Requirements for Reactive Power and Transmission Reinforcement for Wind Power Plants Operation

� Objetivo: Determinar os requisitos de suporte de potência reativa e de reforços na rede de transmissão para:

� Assegurar uma operação viável do sistema;

� Minimizar os custos operacionais;

� Minimizar os custos de investimento. 52

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Eficiência Energética

Ministério de Minas e Energia

Programas Nacionais

53

ELETROBRÁS PETROBRÁS ANEEL

DDE

PROCEL CONPET PEE

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Programas de Eficiência Energética

� PBE – Lançado em 1984

� Aplicado a fabricantes e fornecedores

PROCEL – Lançado em 1985

54

� PROCEL – Lançado em 1985

� CONPET – Lançado em 1991

� PEE da ANEEL – Lançado em 2000

� Aplicado às distribuidoras de energia

� Lei 10.295 (Lei da Eficiência Energética) – Outorgada em 2001

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Lei da Eficiência Energética -Resultados

Equipamentos Regulamentados (2002 a 2010)

� Motores Elétricos de Indução Trifásicos – Decreto nº 4.508/2002 Programa de Metas – Portaria Interministerial nº553/2008

� Lâmpadas Fluorescentes Compactas – Portaria Interministerial n° 132/2006 Programa de Metas – Portaria Interministerial nº 1008/2010

55

Programa de Metas – Portaria Interministerial nº 1008/2010

� Refrigeradores e Congeladores - Portaria Interministerial n° 362/2007 Programa de Metas – Portaria Interministerial nº 326/2011

� Fogões e Fornos a Gás - Portaria Interministerial n° 363/2007 Programa de Metas – Portaria Interministerial nº 325/2011

� Condicionadores de Ar - Portaria Interministerial n° 364/2007Programa de Metas – Portaria Interministerial nº 323/2011

� Aquecedores de Água e Gás - Portaria Interministerial n° 298/2008 Programa de Metas – Portaria Interministerial nº 324/2011

� Reatores Eletromagnéticos para LVSAP e VM – Portaria Interministerial nº 959/2010

� Lâmpadas Incandescentes – Portaria Interministerial nº 1007/2010

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Resultados do PROCEL

Resultados - 1986 a 2010

2007 2008 2009 2010 Acumulado

INVESTIMENTOS (R$ MILHÕES) 13,6 5,5 9,0 13,91 383,2

RGR (R$ MILHÕES) 39,2 25,8 56,0 45,3 768,1

56

RGR (R$ MILHÕES) 39,2 25,8 56,0 45,3 768,1

GEF (R$ MILHÕES) - - - - 37,5

TOTAL (R$ MILHÕES) 52,8 31,3 65,0 68,2 1.188,7

ENERGIA ECONOMIZADA (MILHÕES DE KWH)

3.930 4.374 5.473 6.164 44.122

REDUÇÃO DE DEMANDA NA PONTA (MW) 1.357 1.569 2.098 2.425 13.839

USINA EQUIVALENTE (MW) 942 1.049 1.312 1.478 10.483

TCO2E (MIL) 115 212 135 316 712

INVESTIMENTOS POSTERGADOS (R$ MILHÕES)

2.757 2.888 3.918 4.114 30.839

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Técnicas de Otimização com Aplicação na Área de Energia

57

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Redes Neurais Artificiais

1943 - Warren Mc Culloch (psiquiatra e neuroanatomista) eWalter Pitts (matemático): primeiro neurônio artificial.

58

Têm como propósito tentar imitar a capacidade do cérebrohumano para reconhecer, generalizar e associar padrões.

Aplicações:

�Reconhecimento de Padrões

�Generalização

�Aproximação de Funções

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Cérebro Computador Convencional

�ms

�Mais lento para operações

seqüenciais

�ns

�Mais rápido (106) para

Redes Neurais Artificiais

seqüenciais

�Processamento paralelo

�Redundância

�10 bilhões de neurônios

�Cada neurônio 1.000 a 10.000

conexões

�100.000 conexões para cada

segundo de experiência (65 anos:

2.000.000.000 de segundos)

processamento seqüencial

59

Aplicações de RNA

�Reconhecimento de Padrões

�Generalização

�Aproximação de Funçõesx1

y1

x2

w1

w2

w3

z1

z2

60

�Previsão de Séries Temporais

�Suporte à Decisão

�Extração de Informações

�Mercados de Energia

�Proteção Adaptativa

x3

y2

z3

y1 = w1.z1 + w2.z2 + w3.z3

Proteção Adaptativa

Shunt Série

f

∆

Abaixador

∆

Y

YY

f

fZ

∆

Abaixador

∆

Y

YY

61

Shunt e SérieCabo do lado da geração

Shunt e SérieCabo do lado da carga

f

fZ

∆

Abaixador

∆

Y

YY

f

fZ

∆

Abaixador

∆

Y

YY

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Elevam a quantidade de energiacomprada pelas concessionárias

Concessionária Perdas (%)

AES SUL 9,60

Perdas no Brasil (2008)

Aplicação de Otimização na Distribuição

Redução de Perdas Técnicas

Impacto nas tarifárias (US$/kWh)Decreto 4.562 (2002), §1ºart. 1º

Questões ambientais

Perdas técnicas

Perdas comerciais

AES SUL 9,60

AMPLA 19,57

CELPE 15,92

CEMIG-D 12,10

COELBA 16,47

ELETROPAULO 12,59

ENERSUL 21,39

LIGHT 20,62

62

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� Alternativa 1: Reconfiguração

subestação

Aplicação de Otimização na Distribuição

1

2

34

67

5

ABERTOFECHADO

63

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� Alternativa 2: Alocação de Bancos de Capacitores

Aplicação de Otimização na Distribuição

SS5 S10

ALIM 1 ALIM 2 ALIM 3

SE SESE

S1

S2

S3

S4

S6

S7

S8 S9

S11

S12

S13

S14

S15

S16

2

3

45

6

14

7

9 10

13

11

128

64

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� Alternativa 3: Alocação de Geração Distribuída

Aplicação de Otimização na Distribuição

subestação

11

2

34

67

5

Impactos na operação e proteção65

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Referências

Câmara de Comercialização de Energia Elétrica - CCEE www.ccee.org.br

Operador Nacional do Sistema - ONS

66

Operador Nacional do Sistema - ONSwww.ons.com.br

Agência Nacional de Energia Elétrica - ANEELwww.aneel.gov.br

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