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Estudos para o Estabelecimento de Critérios para Autorização de Conexão de Usinas Eólicas a Redes de Distribuição

CELPE / UFPE/ UFCG

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MOTIVAÇÃO

• O uso de fontes renováveis para a produção de energia elétrica tem crescido consideravelmente nos últimos anos, devido principalmente a preocupações ambientais.

• Dentre as alternativas de fontes de energia renovável para a geração de eletricidade, as turbinas eólicas são as mais promissoras devido ao desenvolvimento tecnológico em sua construção, possibilidades de controle rápido e preciso, aumento da confiabilidade e redução dos custos alcançados na última década;

• Projeto desenvolvido de 01 de dezembro de 2008 a 30 de janeiro de 2010.

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Previsão de Implantação de Novas Centrais Eólicas no Brasil

– 1.400 MW de usinas eólicas em instalação;

– 1.805 MW contratados no leilão de 14/12/2009;

– 2.047,8 MW contratados no leilão 25 e 26/08/2010;

– 200 MW contratados de forma independente;

– Previsão de entrada em operação comercial de todo este potencial para 2012/2013.

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Programas de Simulação

– Modelos transitórios detalhados, de forma a contemplar fenômenos que variam rapidamente;

– Os programas mais comuns para simular máquinas elétricas e conversores de frequência não são adequados para simular grandes sistemas de potência;

– Programas para simular transitórios em sistemas de potência não contêm modelos detalhados de turbinas eólicas.

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Por quê o ATP?

Alternative Transients Program (ATP)

– Permite a inclusão de vários elementos nos modelo utilizados;

– O ATP já é usado por quase todas as empresas do setor elétrico;

– A rede elétrica brasileira já está em grande parte modelada em ATP.

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Por quê o ATP?

– Cada elemento mecânico ou componente elétrico das turbinas eólicas foi estudado para permitir sua modelagem através de equações de estado/diagramas de bloco;

– A partir das equações de estado/diagrama de blocos foram desenvolvidos algoritmos de simulação em ATPDraw, sendo os elementos que não estão contemplados na biblioteca do ATPDraw representados empregando a ferramenta TACS;

– Uma vez disponíveis os modelos de turbinas eólicas em ATP, estes foram adicionados a programas em ATP contendo a rede elétrica.

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Usinas Eólicas - O que Deve Ser Representado

• Vento– Velocidade média do vento;

– Efeitos de sombra da torre;

– Variação vertical e horizontal das velocidades do vento;

– Fenômenos relacionados com a sua turbulência.

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Usinas Eólicas - O que Deve Ser Representado

Assumimos que:

- O vento atinge todas as turbinas da mesma forma e ao mesmo tempo;

- O vento é o mesmo em todo o rotor;

- Fenômenos de alisamento devidos à correlação da turbulência são desprezados;

- As turbinas são consideradas como sincronizadas entre si;

- As variações da potência eólica simulada podem ser consideradas conservadoras, pois os efeitos no sistema elétrico são

maximizados;

- Para estudos de transitórios elétricos, é razoável supor velocidade de vento constante.

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Usinas Eólicas - O que Deve Ser Representado

• Rotor aerodinâmico

- Representa-se, de maneira simplificada a conversão eólico-mecânica, ou seja, como a potência do vento é convertida em potência mecânica

• Sistema de transmissão mecânica

- Turbinas que empregam geradores com grande número de polos dispensam o uso de multiplicador de velocidade;

- A elasticidade dos eixos é representada através de um sistema de duas massas conectadas por meio de uma mola.

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Usinas Eólicas - O que Deve Ser Representado

• Gerador elétrico - os aerogeradores podem ser equipados com diferentes tipos de geradores

– Gerador assíncrono com rotor tipo gaiola;

– Gerador assíncrono com rotor bobinado e dupla alimentação;

– Gerador síncrono com enrolamento de excitação;

– Gerador síncrono a ímãs permanentes.

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Usinas Eólicas - O que Deve Ser Representado

• Conversor de frequência

– Dependendo do tipo de turbina, sua conexão à rede se dá através de dois inversores com barramento CC comum (conexão back-to-back);

– As chaves dos inversores foram consideradas como ideais. Porém seus comandos de abertura e fechamento provêm de estratégias de controle do lado da rede e do lado do gerador, as quais foram detalhadamente representadas.

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Impacto das Usinas Eólicas

• Análise da Qualidade da Energia

– Fator de potência no ponto de conexão, considerando variação completa da curva de potência do gerador;

– Nível de tensão em regime permanente, desde produção zero até potência nominal;

– Componentes harmônicas produzidas pelas turbinas eólicas e os níveis das tensões harmônicas ao longo da rede de distribuição local;

– Comportamento das turbinas eólicas quando de variações de freqüência da rede de distribuição.

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Impacto das Usinas Eólicas

• Análise da Estabilidade de Tensão

– É necessário estudar o comportamento do sistema em pontos de alto carregamento, para que seja possível determinar uma margem de segurança para propósitos de análise da estabilidade de tensão;

– Um estudo complementar é necessário para identificação das áreas e barras críticas em relação à estabilidade de tensão, há a possibilidade do operador tomar medidas de reforço para tais áreas, evitando a instabilidade, e consequentemente, um possível colapso de tensão.

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Impacto das Usinas Eólicas

• Análise da Estabilidade– No passado, as usinas eólicas eram programadas para

desconexão em caso de fortes variações, tanto de tensão quanto de frequência, usualmente causadas por faltas;

– Os códigos de rede atuais de diversos países exigem que as usinas permaneçam conectadas ao sistema durante e após a falta, para auxiliar na recuperação pós-falta;

– Estudos para a verificação da suportabilidade das turbinas eólicas a afundamentos momentâneos de tensão devem ser realizados.

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Estudo de Caso

• Foi realizada a análise de um estudo de caso, onde a Central Eólica de Xavante – CGE XVT, está conectado ao sistema de distribuição da CELPE, através da barra de 13,8 kV da SE Vitória.

• O sistema é composto por três turbinas eólicas VESTAS-V82 com potência nominal de 1,65 MW/1,816 MVA na tensão de geração de 0,60 kV. Na saída de cada gerador eólico, e após o disjuntor, encontra-se um transformador trifásico (- 0,60:13,8 kV) com potência nominal de 1,8 MVA. Cada máquina pesa em torno de 90 t e está montada em torres de 70 m de altura.

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Estudo de Caso

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Diagrama Unifilar CGE Xavante

S EC. JUS S ARAL69kV

V ITÓRIA69kV

22,0KM -1/0A A

11,0K M-336,4A A

(02N3) NA

10/12,5M VAX =7,72% (66)

13,8KV

15/20MVAX =8,79% (66)

7,6 M VA R

140613921404

12N3

D

12N9

D RN

12B 1

D

NF

32N9

32B 1-9

22,0KM -336,4A A

(02N9)

UJB69kV

1396

(02N4)

12N4

Dm

D

E ÓLICA

X AVANTE S14,32KM -336CA A

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Comportamento da CGE Xavante

– O comportamento da usina eólica frente a distúrbios elétricos em termos de avaliação da estabilidade foi realizado com a aplicação de curtos circuitos trifásicos e monofásicos em diversos barramentos do sistema modelado;

– Em todos os casos simulados, uma chave controlava a entrada de uma impedância com valor calculado para causar um afundamento que tendia a se aproximar do gráfico de tensão no PCC proposto pela ANEEL;

– Entre 4s e 4,5s, ocorre um afundamento correspondente a 0,2 p.u. (remanescente);

– Em seguida, a partir de um degrau de carga, o curto circuito se torna menos severo entre 4,5s e 5s, resultando em um afundamento de aproximadamente 0,8 p.u. (remanescente), para finalmente se estabelecer o funcionamento normal no sistema.

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Comportamento - Curto Trifásico

Tensões em algumas barras do sistema elétrico envolvido.

3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 80

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Tempo (s)

Ten

são

(pu)

RIB69

SJU69

VIT69VIT13

CGE06

Curto na barra de 13,8 kV da SE Vitória

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Comportamento - Curto Trifásico

Potência ativa e potência reativa no ponto de conexão da usina eólica.

Corrente na saída do gerador.

-6

-4

-2

0

2

4

6

3000 4000 5000 6000 7000 8000

Electrotek Concepts® TOP, The Output Processor®

Pot

ênci

a (M

W, M

VAr)

Tempo (ms)

Potência Ativa Trifásica, P Potência Reativa Trifásica, Q

3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 80

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

Tempo (s)

Cor

rent

e (k

A)

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Comportamento - Curto Monofásico

Tensões de sequência positiva.

Fator de desequilíbrio.

3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 80

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Tempo (s)

Ten

são

(pu)

RIB69

SJU69

VIT69VIT13

CGE06

3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 80

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

0.5

Tempo (s)

Fat

or d

e de

sbal

anço

, k

RIB69

SJU69

VIT69VIT13

CGE06

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Comportamento - Curto Monofásico

Potências ativa e reativa simuladas durante o curto monofásico.

Corrente na saída do gerador.

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

3000 4000 5000 6000 7000 8000

Electrotek Concepts® TOP, The Output Processor®

Pot

ênci

a (M

W, M

VAr)

Tempo (ms)

Potência Ativa Trifásica, P Potência Reativa Trifásica, Q

3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 80.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

Tempo (s)

Cor

rent

e (k

A)

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Conclusões

– As figuras de mérito escolhidas são importantes para análises do comportamento da rede da concessionária em diversas situações;

– As simulações de curto-circuito utilizando o modelo desenvolvido no projeto mostraram que após a eliminação do defeito, as máquinas restabelecem com rapidez os valores de potência ativa e reativa geradas antes da ocorrência do defeito. Com isto, as tensões também se restabelecem com relativa rapidez , à semelhança de um sistema radial;

– Como análise dos resultados das simulações depreende-se que os impactos da usina eólica sobre o desempenho do sistema não são significativos quando as máquinas são capazes de se manterem conectadas ao sistema.

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Conclusões

• Considerações em relação aos dados necessários para estabelecimentos dos critérios de conexão das CGE´s no sistema CELPE/PRODIST Módulo 6:

– Os dados apresentados para inércia do conjunto das massas girantes precisam ser especificados;

– Para máquinas com caixa de engrenagens é necessário especificar as duas massas girantes (o rotor do gerador e o rotor aerodinâmico);

– Também é necessário especificar o modelo do sistema de transmissão mecânica baseado em duas massas e mola com amortecimento;

– Para os dados de controle dos conversores é necessário indicar o esquema de ação anti-windup e os respectivos parâmetros;

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Conclusões

– O critério de carregamento baseado na computação da curva PV foi mostrado como um indicador do estado de operação do sistema em seguro ou inseguro em relação à estabilidade de tensão pelas empresas do setor elétrico no mundo;

– Para geradores síncronos com enrolamento de excitação, os parâmetros do modelo eletromagnético do gerador a serem fornecidos podem ser: resistência de estator; reatâncias de dispersão de eixos direto e em quadratura, reatâncias síncronas de eixos direto e em quadratura, reatância transitória de eixo direto, reatâncias subtransitórias de eixos direto e em quadratura, resistência de estator de sequência positiva; constantes de tempo transitória e subtransitória de circuito aberto de eixo direto e em quadratura;

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Conclusões

– Para a avaliação da estabilidade de tensão é necessária a identificação de, pelo menos, duas características do sistema em análise: a identificação de quão próximo do ponto de máximo carregamento esse sistema está operando e quais as áreas ou barras mais sensíveis à instabilidade de tensão – áreas ou barras críticas, possibilitando a tomada de ações corretivas;

– Um aspecto importante, foi que para o desenvolvimento de uma ferramenta que representasse o comportamento das usinas eólicas, foi necessário a modelagem dos principais componentes de turbinas eólicas e a rede elétrica;

– Como não foi encontrado na literatura um modelo específico para turbinas eólicas do tipo active stall, foi desenvolvido dentro do projeto um modelo para os estudos em questão, sendo um dos fatos inovadores da pesquisa;

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Conclusões

– Estudos preliminares demonstram que o comportamento do modelo é similar ao apresentado pelo fabricante;

– Uma comparação mais precisa não foi possível devido a questões de confidencialidade dos dados do fabricante;

– A partir da ferramenta computacional desenvolvida foi realizada uma avaliação dos principais distúrbios sobre a estabilidade de tensão e desvios na qualidade da energia assim como a verificação de eventuais necessidade de substituição de equipamentos devido às variações de correntes e tensões pela adição da central eólica escolhida

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CELPE –  Grupo Neoenergia  www.neoenergia.com 55 81 3217- 5343

Aldenisa SantosUnidade de Planejamento da Transmissão – EIPTaldenisa@celpe.com.br