Implementação Computacional Do Controle Automático Da Geração Em Sistemas de Potência Na Ferramenta Simulight

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO

ESCOLA DE ENGENHARIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELTRICA

IMPLEMENTAO COMPUTACIONAL DO CONTROLE AUTOMTICO DA GERAO EM SISTEMAS DE POTNCIA NA

FERRAMENTA SIMULIGHT

UBALDO ROMAN RIOS

RIO DE JANEIRO, RJ BRASIL

JUNHO 2010

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IMPLEMENTAO COMPUTACIONAL DO CONTROLE AUTOMTICO DA GERAO EM SISTEMAS DE POTNCIA NA

FERRAMENTA SIMULIGHT

UBALDO ROMAN RIOS

PROJETO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELTRICA DA ESCOLA POLITCNICA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSRIOS PARA A OBTENO DO GRAU DE ENGENHEIRO ELETRICISTA.

APROVADO POR:

________________________________________

Prof. Glauco Nery Taranto, Ph. D.

(Orientador)

________________________________________

Eng. Jorge Isaac Rodriguez Rodriguez, M. Sc.

(Co-orientador)

________________________________________

Prof. Marcos Vicente de Brito Moreira, D. Sc.

________________________________________

Prof. Sebastio rcules Melo Oliveira, D. Sc.

RIO DE JANEIRO, RJ BRASIL

JUNHO 2010

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Agradecimientos

En primer lugar doy gracias a Dios por permitirme concluir esta etapa de mi vida, pues sin sus bendiciones no habria llegado a ningun lugar.

A toda mi famlia por la ayuda, tanto economica como espiritual, a lo largo de estos cinco aos, en especial a aquellos mas cercanos, mis padres Alodia y Ubaldo, al gordo, a mis tios y tias Leonidas, Esmerito, Amada, Benicia, a mi abuela Dominga.

A los amigos y amigas que han tenido la desdicha de convivir conmigo en las distintas republicas de locos, Rosita, Diego, Nelson, Silvia, Lourdes, Sever, Ivan, Rossana, Karem, Karina, enfin a todos aquellos que aportaron su granito de arena para que nuestra estadia en Rio fuera mas agradable.

A mi novia Maria Angela, por los momentos de aguante, por los momentos de felicidad, gracias por tantas alegrias y por el apoyo para la realizacin de este trabajo.

Agradezco tambien a los vrios amigos que me acompaaron durante esta larga caminata, Bruno Sodr, Bruno Franca, Vitor, Natalia, Rosana, Thais, gracias por los momentos de estdios y de diversion. Un agradecimiento especial a, Samara, mi eterna professora de portugus y famlia.

A todos los profesores del departamento de Ingenieria Electrica de la UFRJ que contribuyeron para mi formacion como ingeniero, al Profesor Glauco Nery Taranto por la orientacin recibida durante la realizacin de este proyecto y en especial al Profesor Alessandro Manzoni Q.E.P.D. por haber dado el puntapie inicial para la realizacin de este trabajo.

Um agradecimiento mas que especial a mi Co-orientador el Ing. Jorge Rodriguez, sin su ayuda la conclucin de este trabajo hubiese sido imposible.

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Resumo

Este trabalho descreve a implementao da malha de controle secundrio em sistemas eltricos de potncia, denominado Controle Automtico de Gerao (CAG), este controle busca restabelecer a freqncia do sistema ao seu valor padro atravs do controle carga- freqncia.

Para a realizao das simulaes foi utilizado o Simulador para Redes Eltricas com Gerao Distribuda Simulight, ferramenta desenvolvida pela COPPE/UFRJ para a Light. Para a viabilizao do controle proposto, os modelos de alguns dos equipamentos foram modificados.

A anlise foi feita utilizando primeiramente um Sistema de pequeno porte (sistema de potncia com 16 barras), separado em duas reas, cada uma com uma unidade geradora e posteriormente utilizando uma configurao com 1005 barras do Sistema Brasileiro. Aps a implementao do sistema de controle foram realizadas vrias simulaes no Simulight de forma a realizar uma comparao dos resultados com e sem regulao secundria, assim como a influncia do intercmbio entre as duas reas de controle.

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Sumrio

CAPTULO 1 INTRODUO 1 1.1 Consideraes Gerais 1 1.2 Objetivos 2 1.3 Estrutura do Trabalho 2

CAPTULO 2 MODELAGEM DE UNIDADES GERADORAS 4 2.1 Modelos dos Equipamentos 4 2.2 Modelos para Mquinas Sncronas 6 2.3 Modelos para Reguladores de Tenso 8 2.4 Modelos para Reguladores de Velocidade 8 2.5 Modelos para Turbinas Trmicas 12 2.6 Modelos para Turbinas Hidrulicas 13

CAPTULO 3 CONTROLE AUTOMTICO DA GERAO 14 3.1 Regulao Secundria 14 3.2 rea de Controle 18

3.2.1 Varias reas de Controle com Regulao Primria 20 3.2.2 Varias reas de Controle com Regulao Secundria 23

3.3 Ajuste de Bias (B) 25

CAPTULO 4 DESCRICAO DO PROGRAMA 29 4.1 Consideraes Gerais 29 4.2 Caractersticas do Simulight 30 4.3 Utilizao Bsica do Programa 32 4.4 Utilizao Avanada do Programa 36

CAPTULO 5 SIMULAES E ANLISE DE RESULTADOS 38 5.1 Consideraes Gerais 38 5.2 Sistema SIS16B 38 5.3 Sistema BRASIL1005B 51

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CAPTULO 6 CONCLUSES 65 6.1 Concluses Gerais 65 6.2 Trabalhos Futuros 66

REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS 67 APNDICE A 68

A.1 Nomenclatura 68 A.2 Dados das Linhas 68 A.3 Dados dos Transformadores 69 A.4 Dados das Barras 69

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ndice de Figuras

Figura 1 Componentes de um sistema de energia eltrica 5 Figura 2 Componentes de uma unidade de gerao 6 Figura 3 Diagrama de blocos para a equao de oscilao eletromecnica 7 Figura 4 Diagrama de blocos para as equaes de eixo em quadratura 7 Figura 5 Diagrama de blocos para as equaes de eixo direto 7 Figura 6 Diagrama de blocos do regulador de tenso 8 Figura 7 Esquema do regulador com queda de velocidade 9 Figura 8 Diagrama de blocos do regulador com queda de velocidade 9 Figura 9 Funo de transferncia do regulador com queda de velocidade 10 Figura 10 Caracterstica freqncia por potncia da mquina 11 Figura 11 Caracterstica freqncia por potncia da mquina 11 Figura 12 Diviso de carga entre duas mquinas com estatismo diferentes 12 Figura 13 Diagrama de blocos de uma turbina trmica sem reaquecimento 12 Figura 14 Diagrama de blocos de uma turbina trmica com reaquecimento 12 Figura 15 Diagrama de blocos de uma turbina hidrulica 13 Figura 16 Diagrama de blocos da regulao secundria 15 Figura 17 Caracterstica freqncia por potncia da mquina com

regulao secundria 16 Figura 18 Diagrama de blocos de uma turbina trmica com regulao secundria 17 Figura 19 Diagrama de blocos de uma turbina hidrulica com regulao secundria 17 Figura 20 Diagrama de um sistema com uma rea de controle 18 Figura 21 Caracterstica freqncia por potncia de um sistema sem regulao 19 Figura 22 Caracterstica freqncia por potncia de uma rea dotada apenas de

regulao primria 20 Figura 23 reas de controle do sistema sul-sudeste brasileiro h quase 30 anos atrs 21 Figura 24 Sistema interligado com duas reas de controle 22 Figura 25 Diagrama de blocos do erro de controle de rea para os modos FF e TLB 23 Figura 26 Simulight: painel rede eltrica 32 Figura 27 Simulight: Alterao dos elementos de uma subestao 32 Figura 28 Simulight: Alterao dos parmetros de um gerador 33

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Figura 29 Simulight: Alterao dos parmetros de transformadores e medidores 33 Figura 30 Simulight: Execuo do fluxo de potncia 34 Figura 31 Simulight: Execuo de anlises de estabilidade transitria 34 Figura 32 Simulight: Relatrio por subestao do fluxo de potncia 35 Figura 33 Simulight: Registradores grficos 35 Figura 34 Formato de entrada dos dados de novos modelos 36 Figura 35 Modelo de um regulador automtico de tenso 36 Figura 36 Exemplo de blocos matemticos do Simulight 37 Figura 37 Modelo do regulador automtico de tenso em XML 37 Figura 38 Sistema de 16 barras (SIS16B) utilizado nas simulaes 39 Figura 39 (SIS16B) Cargas do sistema no caso I 40 Figura 40 (SIS16B) Gerao do sistema com regulao secundria no caso I 41 Figura 41 (SIS16B) Freqncia no caso I com regulao primria 42 Figura 42 (SIS16B) Freqncia no caso I com regulao secundria 42 Figura 43 (SIS16B) Intercmbio entre reas de controle atravs das

subestaes 02 e 06 no caso I com regulao secundria 43 Figura 44 (SIS16B) Intercmbio entre reas de controle atravs das

subestaes 03 e 10 no caso I com regulao secundria 44 Figura 45 (SIS16B) Cargas do sistema no caso II 45 Figura 46 (SIS16B) Gerao do sistema com regulao secundria no caso II 45 Figura 47 (SIS16B) Freqncia no caso II com regulao primria 46 Figura 48 (SIS16B) Freqncia no caso II com regulao secundria 46 Figura 49 (SIS16B) Intercmbio entre reas de controle atravs das

subestaes 02 e 06 no caso II com regulao secundria 47 Figura 50 (SIS16B) Intercmbio entre reas de controle atravs das

subestaes 03 e 10 no caso II com regulao secundria 47 Figura 51 (SIS16B) Intercmbio entre reas de controle no caso III 48 Figura 52 (SIS16B) Gerao do sistema com regulao secundria no caso III 49 Figura 53 (SIS16B) Freqncia no caso III com regulao primria 50 Figura 54 (SIS16B) Freqncia no caso III com regulao secundria 50 Figura 55 (BRASIL1005B) Topologia 51 Figura 56 (BRASIL1005B) Freqncia no caso I com regulao secundria 52 Figura 57 (BRASIL1005B) Cargas do sistema no caso I 53

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Figura 58 (BRASIL1005B) Freqncia no caso i com regulao primria 54 Figura 59 (BRASIL1005B) Gerao das unidades participantes da regulao

secundria no caso I 55 Figura 60 (BRASIL1005B) Freqncia no caso I com regulao secundria 55 Figura 61 (BRASIL1005B) Intercmbio entre reas de controle no caso I

com regulao secundria 56 Figura 62 (BRASIL1005B) Cargas do sistema no caso II 57 Figura 63 (BRASIL1005B) Freqncia no caso II com regulao primria 58 Figura 64 (BRASIL1005B) Freqncia no caso II com regulao secundria 58 Figura 65 (BRASIL1005B) Gerao das unidades participantes da regulao

secundria no caso II 59 Figura 66 (BRASIL1005B) Intercmbio entre reas de controle no caso II

com regulao secundria 60 Figura 67 (BRASIL1005B) Fluxo de potncia ativa no elo cc-1 da usina de

itaipu para a regio sudeste no caso III 61 Figura 68 (BRASIL1005B) Freqncia no caso III com regulao primria 62 Figura 69 (BRASIL1005B) Freqncia no caso III com regulao secundria 62 Figura 70 (BRASIL1005B) Gerao das unidades participantes da regulao

secundria no caso III 63 Figura 71 (BRASIL1005B) Intercmbio entre reas de controle no caso III

com regulao secundria 64

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Lista de Smbolos

Vt: Tenso terminal da mquina. Efd: Tenso de campo da mquina. Pm: Potncia mecnica da mquina. Ire: Componente imaginria da corrente. Ire: Componente real da corrente. W: Velocidade angular da mquina. A: Variao da posio da vlvula de entrada da turbina. K: Ganho do integrador. Vref: Tenso de referncia. Lmx: Limite mximo do atuador. Lmn: Limite mnimo do atuador. F: Variao da freqncia. R: Estatismo da mquina. PG: Variao da potncia ativa gerada. Pm: Variao da potncia mecnica. Kp: Ganho do controlador proporcional. PD: Potncia ativa demandada. Colocar lo de la pagina 17

PD: Variao da potncia ativa demandada. PG: Potncia ativa gerada. En: Tenso na barra n. Xnm: Reatncia da linha entre a barra n e a barra m. ij: Diferena entre o ngulo de fase da barra i e j. : Caracterstica natural do sistema. B: Parmetro Bias da rea de controle.

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Captulo 1

Introduo

1.1 Consideraes Gerais

Manter a freqncia constante e igual ao seu valor nominal importante por uma

srie de motivos. Por exemplo, o desempenho da maioria dos motores de corrente alternada industriais funo da freqncia; freqncia nominal tambm exigida por cargas nobres, como computadores; em certos pases, o uso de relgios eltricos, cujo desempenho est ligado freqncia, muito disseminado, etc. Mas o motivo mais importante para manter a freqncia igual ao seu valor nominal o fato de que ela um indicador de que o balano de potncia ativa est sendo adequadamente cumprido. Isto , a potncia ativa fornecida pelos geradores do sistema igual potncia ativa solicitada pelas cargas [1].

Normalmente no estudo e planejamento da operao de sistemas eltricos em condies de regime permanente utilizada a premissa de que a freqncia do sistema constante para uma determinada condio. No sistema brasileiro a freqncia considerada de 60 Hz. Porm, nos sistemas de potncia reais a situao bem diferente, com as cargas variando a todo momento, levando isto a uma busca constante de equilbrio da carga-gerao, originando variaes na freqncia.

O controle de freqncia deve atender a contnua variao da carga e a ocorrncia de contingncias (perda de unidades geradoras, etc.), para isto utiliza-se normalmente a regulao primria e a secundria, podendo inclusive chegar a uma regulao terciria. A regulao primria ou controle de velocidade normalmente consiste em reguladores com queda de velocidade, este tipo de regulao consegue atender a um primeiro requisito de restabelecer a freqncia ao seu valor de referncia, porm com um erro de regime permanente, ficando acima do valor de referncia para casos onde acontece uma diminuio da carga e abaixo do valor de referncia para casos em que h um aumento da carga. Outra caracterstica importante de este tipo de regulao que permite a repartio da gerao entre as mquinas.

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Para corrigir o erro de regime permanente na freqncia do sistema a regulao secundria ou Controle Automtico da Gerao (CAG) implementado, sendo que o objetivo principal do Controle Automtico da Gerao (CAG) o de levar a freqncia ao seu valor de referncia em regime permanente, procura-se um erro nulo de regime permanente. Para atingir este objetivo o controle secundrio busca anular o Erro de Controle de rea (ECA) atravs da utilizao de controladores do tipo proporcionais integrais (PI).

Este controle secundrio busca tambm manter os valores de potncia de intercmbio entre as distintas reas de acordo com os valores previamente estabelecidos, ou seja, procura anular o erro de intercmbio em regime permanente. O controle da regulao terciria utilizado para a reserva girante, ou seja, funciona como o Backup do sistema, no caso de um aumento muito grande da carga, por exemplo, pelas suas caractersticas um tipo de regulao com um tempo de atuao bem maior em relao aos dois primeiros, em torno de 30 a 60 minutos dependendo de cada caso.

1.2 Objetivos Este trabalho tem por objetivo demonstrar a viabilidade da implantao de um sistema

de Controle Automtico da Gerao (CAG) no Simulador para Redes Eltricas com Gerao Distribuda, Simulight.

Procura-se implantar o controle de forma a levar a freqncia do sistema ao valor de referncia em regime permanente para as distintas variaes de carga. Assim como para o caso da ocorrncia de algumas contingncias (perda de algumas das principais linhas de transmisso do sistema).

Por focar principalmente no controle de freqncia, a grandeza fundamental a ser controlada pelo sistema a potncia ativa, deixando de lado o controle da potncia reativa a qual esta mais ligada ao controle de tenso.

1.3 Estrutura do Trabalho

O texto do presente trabalho esta organizado em seis captulos, da seguinte forma:

O Captulo 1 apresenta uma breve introduo do assunto e os objetivos gerais do trabalho.

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No Captulo 2 so apresentados os componentes bsicos de um gerador de energia eltrica e seus componentes assim como um breve resumo dos modelos matemticos utilizados na simulao.

O Captulo 3 apresenta o funcionamento do sistema de Controle Automtico da Gerao (CAG), tanto a regulao primria como a regulao secundria. apresentado tambm o funcionamento do sistema permitindo o intercambio de potncia ativa entre mais de uma rea de controle.

O objetivo do Captulo 4 apresentar ao leitor a utilizao do programa Simulight, utilizado nas simulaes realizadas no presente trabalho.

No Captulo 5 so apresentados os resultados obtidos nas distintas simulaes realizadas no Simulight. Os resultados mostraro a validade da implementao dos modelos mostrados no Captulo 3.

E por fim, o Captulo 6 apresenta as concluses deste trabalho e prope sugestes para trabalhos futuros.

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Captulo 2

Modelagem de Unidades Geradoras

2.1 Modelos dos Equipamentos

A seguir ser apresentada uma breve definio dos elementos que compem um sistema de energia eltrica. Os sistemas eltricos variam em tamanho e estrutura, porm apresentam caractersticas similares:

So compostos por sistemas trifsicos de corrente alternada, operando principalmente com tenso alternada. A gerao e transmisso da energia so facilitadas pelo uso de equipamentos trifsicos.

As cargas industriais so trifsicas enquanto que as cargas comerciais e residenciais monofsicas so distribudas de forma equitativa nas trs fases de forma a ter um sistema trifsico equilibrado.

No caso de sistemas predominantemente hidroeltricos, como o caso do Brasil, a maioria dos geradores so mquinas sncronas dotadas de uma turbina a qual gera a energia mecnica necessria para a produo de energia eltrica, estas turbinas por sua vez so movidas pela gua.

A maioria dos grandes centros consumidores encontra-se a grandes distncias das usinas geradoras, por tanto os sistemas de transmisso precisam de vrios sistemas de sub-transmisso, os quais operam em distintos nveis de tenso.

Desta forma podemos dividir os sistemas de energia eltrica em trs nveis: gerao, transmisso e distribuio. A rede de transmisso-distribuio ainda pode ser classificada em trs nveis, sistema de transmisso, sistema de sub-transmisso e sistema de distribuio. O primeiro dos trs conecta a maioria das unidades geradoras e os grandes centros consumidores. J o segundo transporta a energia em menor escala das subestaes de transmisso at as subestaes de distribuio. Finalmente o sistema de distribuio o ltimo estgio na transferncia da energia at os consumidores finais.

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A seguir podemos ver na Figura 1 os principais elementos que compem os distintos sistemas acima mencionados.

Gerador.

Transformador.

Linha de Transmisso.

Reator.

Carga.

Disjuntores.

Figura 1 Componentes de um sistema de energia eltrica [8].

Os modelos dos componentes encontram-se detalhados na literatura. Como o escopo principal deste trabalho o controle de freqncia do sistema, neste captulo detalhada a modelagem das unidades geradoras.

Basicamente os modelos das unidades geradoras so compostos por quatro elementos principais: a mquina sncrona, o regulador de tenso, o regulador de velocidade, a turbina (que pode ser trmica ou hidrulica) e por fim o estabilizador de sistemas de potncia, este ltimo, porm no de interesse para este trabalho.

Na Figura 2 podemos observar um diagrama de blocos representando cada um desses elementos, onde cada elemento possui entrada(s) e sada(s). Por exemplo, no caso do modelo da turbina vemos que o mesmo possui como parmetro de entrada a posio da vlvula e como sada a potencia mecnica. Cada um destes modelos sero explicados a seguir.

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Figura 2 Componentes de uma unidade de gerao [6].

2.2 Modelos para Mquinas Sncronas

Tipicamente as mquinas sncronas so representadas por algum dos seguintes modelos:

Modelo clssico, constitudo por uma fonte de tenso constante atrs da reatncia transitria de eixo direto.

Modelo para geradores de plos salientes.

Modelo para geradores com rotores lisos.

O modelo adotado no presente trabalho ser o modelo para geradores de plos salientes. Este modelo representa uma mquina com plos salientes com um enrolamento de campo e dois enrolamentos amortecedores, sendo um no eixo direto e outro no eixo de quadratura. O efeito da salincia subtransitria foi desprezado. A seguir nas Figuras 3, 4 e 5 podemos ver os diagramas de blocos para a equao de oscilao eletromecnica, as equaes de eixo em quadratura e as equaes de eixo direto, respectivamente. Tanto o modelo como as figuras foram obtidas do manual do software para Anlise de Transitrios Eletromecnicos, ANATEM desenvolvido pelo Centro de Pesquisas de Energia Eltrica. Maiores detalhes deste modelo e de outros podem ser encontrados nas referncias [2] e [3].

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Figura 3 Diagrama de blocos para a equao de oscilao eletromecnica [3].

Figura 4 Diagrama de blocos para as equaes de eixo em quadratura [3].

Figura 5 Diagrama de blocos para as equaes de eixo direto [3].

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2.3 Modelos para Reguladores de Tenso

A funo precpua do controle de sistemas de potncia manter o sistema operando no estado normal. Em outras palavras, trata-se de garantir um suprimento contnuo de energia respeitando-se simultaneamente certos padres de qualidade. Estes ltimos consistem basicamente em se manter a freqncia constante e a tenso dentro de certos limites [1]. Assim como no caso da freqncia para o balano da potncia ativa, a tenso um indicador de balano para a potncia reativa. O desempenho de vrios tipos de carga ligado tenso, por exemplo, torque de motores de induo e fluxo luminoso de lmpadas.

O regulador de tenso atua de forma a manter a tenso terminal da mquina sncrona prxima do valor de referncia, normalmente 1 pu. O regulador de tenso se encarrega de alimentar o sistema de excitao, que por sua vez se encarrega de prover a potncia necessria para alimentar o enrolamento de campo da mquina sncrona. Na Figura 6 podemos observar o diagrama de blocos referente ao regulador de tenso utilizado nas unidades geradoras presentes nas simulaes. Maiores informaes referentes aos modelos dos reguladores de tenso podem ser encontrados em [4].

Figura 6 Diagrama de Blocos do Regulador de Tenso [4].

2.4 Modelos para Reguladores de Velocidade

O estudo dos reguladores de velocidade utilizado no presente trabalho concentra-se principalmente nos reguladores com queda de velocidade, pois so os mais utilizados.

Tambm existem os reguladores iscronos, este tipo de regulador tem como vantagem principal o fato de conseguir eliminar o erro em regime permanente, porm os mesmos no so utilizados pela tendncia a apresentar uma estabilidade relativa ou pobre. Para o caso de ter dois ou mais reguladores iscronos no mesmo sistema, os mesmos procuram anular o erro

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do outro continuamente. Devido ao fato deles brigarem continuamente a estabilidade do sistema afetada.

O regulador com queda de velocidade mais rpido e mais estvel que o anterior, porm o problema da utilizao deste tipo de regulador que o estado de equilbrio atingido por ele numa freqncia diferente da nominal. Outra caracterstica importante deste tipo de regulador que ele permite a repartio da variao da carga entre as distintas unidades geradoras. Na Figura 7 podemos observar o esquema de um regulador com queda de velocidade, o qual utiliza um sensor centrifugo com uma haste conectada ao controle da vlvula carretel.

Figura 7 Esquema do Regulador com queda de Velocidade [5].

Do esquema anterior obtemos o diagrama de blocos deste regulador de velocidade, que pode ser observado na Figura 8, destacando que a nica diferena entre o diagrama de blocos deste regulador e o do regulador iscrono a presena da realimentao do parmetro R, normalmente chamado de estatismo. A entrada do diagrama a variao da freqncia F e a sada a variao da posio da vlvula de entrada da turbina A.

Figura 8 Diagrama de Blocos do Regulador com queda de Velocidade.

O diagrama de blocos apresentado na Figura 8 pode ser reduzido funo de transferncia entre F e A obtendo assim:

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(2.1)

O parmetro (1/R) tambm chamado de energia de regulao da mquina, fazendo podemos observar na Figura 9 a funo de transferncia obtida, a equao (2.1) pode ento ser reescrita como:

(2.2)

A fim de verificar o comportamento do regulador em regime permanente, aplicando uma entrada em degrau e usando o teorema do valor final temos:

lim .". (2.3)

Para o caso de uma nica unidade de gerao todo o acrscimo de carga seria absorvido por ela, logo A dever ser igual a # da mquina de forma a atender o aumento da carga. Ento no regime permanente em pu A= # , portanto podemos escrever:

#%.&. ' .". (2.4) Definindo um ponto de operao (', #) no qual a mquina capaz de atender a demanda. A variao destes valores em regime permanente causado pela variao da carga

levaria a um novo ponto de operao (', #) novamente atendendo a demanda do sistema. Assim reescrevendo a equao (2.4) e fazendo algumas operaes algbricas obtemos:

# ) # * ' ) ' 0 (2.5) Esta equao corresponde equao da reta que pode ser observada na Figura 10,

podemos observar na figura que a inclinao da mesma tan e que ela passa pelo ponto de operao da mquina (', #).

Figura 9 Funo de transferncia do regulador com queda de velocidade.

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Figura 10 Caracterstica freqncia por potncia da mquina.

O ajuste do estatismo da mquina, ou seja, o parmetro R implica numa rotao da reta em torno do ponto de operao da mquina (', #), isto pode ser observado na Figura 11.

Figura 11 Caracterstica freqncia por potncia da mquina.

No caso de vrias mquinas conectadas, quando acontece um aumento da carga, elas respondem aumentando a sua gerao de acordo com os valores ajustados nos seus estatismos. Na Figura 12 podemos observar como dividido o aumento da gerao para atender ao aumento de carga do sistema, destacando que a mquina que possui um valor de estatismo menor, ou seja, a mquina com maior energia de regulao assume uma parcela maior do aumento da carga, atingindo assim um novo ponto de equilbrio do sistema, porm com uma freqncia menor.

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Figura 12 Diviso de carga entre duas mquinas com estatismo diferentes .

2.5 Modelos para Turbinas Trmicas

No caso das turbinas trmicas temos dois modelos principais, as turbinas com e sem reaquecimento. As turbinas com reaquecimento ainda podem ser de ciclo simples ou mltiplo. Na Figura 13, em que A a variao da posio da vlvula de entrada da turbina, Pm a variao na potencia mecnica da sada da turbina e Ts a constante de tempo da turbina. Podemos observar o diagrama de blocos que representa uma turbina trmica sem reaquecimento, o qual se resume apenas aos blocos da vlvula de controle e cmara de vapor, maiores detalhes do modelo encontram-se em [1] e [2].

Figura 13 Diagrama de blocos de uma turbina trmica sem reaquecimento.

J na Figura 14, onde alm dos parmetros e variveis anteriormente mencionadas temos as constantes de tempo C e Tr referentes ao reaquecimento da turbina, temos o diagrama de blocos que representa uma turbina trmica com reaquecimento, neste caso a diferena principal encontra-se na influncia do reaquecedor e da cmera de vapor de baixa presso, novamente maiores detalhes deste modelo podem ser vistos em [1] e [2].

Figura 14 Diagrama de blocos de uma turbina trmica com reaquecimento.

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2.6 Modelos para Turbinas Hidrulicas

Para realizar uma modelagem adequada aos fenmenos estudados neste trabalho so necessrias algumas aproximaes:

A gua e o conduto forado so incompressveis.

A velocidade da gua diretamente proporcional ao produto da abertura da vlvula e a raiz quadrada da altura da gua no reservatrio.

A potncia da turbina proporcional ao produto entre a altura da gua e a vazo.

As perdas de presso com conduto forado so desprezveis.

Considerando estas aproximaes podemos ver na Figura 15, onde Tw representa a constante de tempo da gua, o diagrama de blocos que representa esta turbina, ressaltando que este modelo desconsidera o efeito de fenmenos como os de golpe de arete e a presena de chamin de equilbrio, cuja faixa de freqncias est muito abaixo ou acima do escopo de estudo. Mais detalhes sobre a construo deste modelo podem ser encontrados em [1] e [2].

Figura 15 Diagrama de Blocos de uma Turbina Hidrulica.

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Captulo 3

Controle Automtico da Gerao (CAG)

3.1 Regulao Secundria

No captulo anterior foi apresentado o modelo do regulador de velocidade, que consiste em uma primeira malha de controle da unidade geradora, sendo tambm denominada de Regulao Primria. Com este tipo de controle foi demonstrado que possvel atender a um aumento na demanda do sistema, estabilizando o valor da freqncia do sistema em regime permanente. No caso da utilizao de reguladores com queda de velocidade, este valor de freqncia de regime permanente fica acima ou abaixo do valor de referncia.

Alm de conseguir atender ao aumento da demanda do sistema, outra caracterstica importante da regulao primria o fato da efetiva repartio da gerao entre as distintas mquinas participantes da regulao. Outro fato importante que no caso de sistemas interligados, as variaes da demanda do sistema, provocam um desvio nas potncias de intercmbio entre os geradores interligados.

No geral, os geradores tambm possuem uma segunda malha de controle, comumente chamada regulao secundria, encarregada de restabelecer tanto a freqncia quanto a potncia de intercmbio aos seus valores de referncia e programado, respectivamente. Este controle feito deslocando a referncia de potncia mecnica dos reguladores de velocidade das unidades geradoras, levando assim a um erro de freqncia em regime permanente nulo. Por tratar-se de um controle centralizado, diferente do primrio que local, a regulao secundria pode atuar em vrias unidades geradoras ao mesmo tempo.

Se o sistema tivesse apenas regulao primria a freqncia do mesmo poderia chegar a nveis inaceitveis, devido a sucessivos aumentos ou diminuies da carga. Algumas das restries mais importantes da operao do sistema com subfreqncia so:

Aumento na fadiga das unidades geradoras e conseqente perda de vida til, isto se agrava no caso das usinas trmicas ou nucleares.

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Cargas consideradas crticas so aquelas controladas por processos sncronos. No caso de sistemas de computadores estes toleram no mximo desvios de freqncia de 0,5 Hz. Os equipamentos de radar tambm so bastante crticos, tolerando desvios de at 1,5 Hz.

Variaes nos equipamentos utilizados para suporte de tenso, os bancos de capacitores fornecem menos reativos e a reatncia dos reatores diminui, produzindo isto um aumento da corrente reativa consumida pelos mesmos.

O principal objetivo do controle secundrio fazer com que a freqncia do sistema retorne ao seu valor inicial aps a variao da carga. Desta forma podemos definir algumas das caractersticas que o controle secundrio deve ter:

A malha de controle devera ser estvel.

Para uma variao na carga ou gerao, o erro de freqncia deve retornar a zero em regime permanente.

A magnitude do desvio de freqncia transitrio deve ser minimizada.

Das caractersticas acima citadas, podemos concluir que a operao do sistema deve ser estvel dinamicamente, o sistema deve ser dotado de um regulador iscrono, ou seja, o erro de regime permanente devera ser nulo. Isto pode ser obtido utilizando um controle do tipo proporcional integral (PI). Na Figura 16, podemos ver o diagrama de blocos do regulador secundrio de uma mquina, onde a entrada e sada so as mesmas do regulador primrio. A regulao desta unidade funciona da seguinte maneira: A freqncia da unidade ser medida a cada instante e comparada com a referncia. Esta diferena injetada no variador de velocidade no sentido de fazer a sua atuao.

Figura 16 Diagrama de blocos da regulao secundria.

16

Atravs da caracterstica freqncia por potncia da mquina com regulao secundria mostrada na Figura 17, podemos observar, como foi comentado anteriormente o deslocamento do ponto de operao da mquina. Inicialmente a mquina opera no ponto 1

(', #), com #/ #, posteriormente aps um aumento da carga, a mquina passa a operar no ponto 2 (', #), com #/ #. Neste ponto a regulao secundria atua, pois a freqncia da mquina encontra-se abaixo da desejada, a atuao do controle secundrio pode ser definido no grfico como o deslocamento de forma paralela, da reta original. Aps o

deslocamento da reta a mquina passa a operar no ponto 3, ou seja, (', #), com #/ #.

Figura 17 Caracterstica freqncia por potncia da mquina com regulao secundria.

Finalmente nas Figuras 18 e 19 apresentamos os modelos das turbinas trmicas e hidrulicas com regulao secundria.

17

3.2 rea de Controle

Figu

ra 1

9

Dia

gram

a d

e bl

oco

s da

turb

ina h

idr

ulic

a c

om

re

gula

o

secu

nd

ria

Figu

ra 1

8

Dia

gram

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oco

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turb

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a c

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re

gula

o

secu

nd

ria

18

Consideraremos como rea de controle a parte de um sistema de potncia na qual os grupos de unidades geradoras respondem s variaes de cargas contidas nesta parte do sistema. Evidentemente, as fronteiras de uma rea de controle, na realidade, nunca so definidas de forma rgida e geralmente coincidem com as fronteiras eltricas de um sistema detentor de uma razovel capacidade de gerao, e carga significativa [5].

Algumas das caractersticas desejveis das reas de controle, se possveis, so:

As reas de controle devero ser balanceadas em termos de carga-gerao.

As linhas que interligam as distintas reas de controle devero trabalhar com folgas de forma a garantir o intercmbio de potncia para atender a situaes de emergncia, de auxilio, de otimizao operativa do sistema, etc.

Com estas caractersticas podemos ver que o conceito empresarial deve ser levado em conta sempre que no prejudique o comportamento do sistema, isto devido ao fato de que algumas mquinas de alguma determinada empresa podero ser mais coerentes com unidades de outra empresa e nem por isto participaro da rea de controle da mesma.

Supondo que as unidades geradoras de uma rea de controle pudessem ser representadas por uma nica mquina equivalente, assim podemos ver a resposta do sistema para uma nica rea de controle apenas com regulao primria. Na Figura 20 podemos ver um diagrama esquemtico de um sistema com uma nica rea de controle.

Figura 20 Diagrama de um sistema com uma rea de controle.

Os sistemas de potncia possuem uma propriedade chamada Regulao Prpria do Sistema, a qual demonstra a capacidade do sistema de chegar a um novo estado de equilbrio sem a atuao de nenhum controlador. Esta propriedade expressa atravs do parmetro D, chamado de Coeficiente de Amortecimento.

19

Ele representa a variao da carga com a freqncia, como pode ser observado na

Figura 21, chamando de #/ a carga ativa do sistema, podemos dizer que: 0 123 (3.1)

Figura 21 Caracterstica freqncia por potncia de um sistema sem regulao.

Para uma nica rea de controle aps a aplicao de um aumento de carga observamos que a freqncia em regime permanente dada pela seguinte equao [5]:

' .". ) 12/ (3.2)

Ou seja, para uma nica rea de controle, caso acontea uma aumento de carga, a freqncia do sistema em regime permanente ser inferior a freqncia nominal, isto pode ser observado na Figura 22. Outro ponto importante que essa diminuio da freqncia ser inversamente proporcional a uma caracterstica inerente rea de controle. Esta caracterstica composta pela variao da carga com a freqncia e da energia de regulao do equivalente das mquinas da rea de controle, esta caracterstica natural da rea de controle chamada de , ou seja:

4 0 * (3.3) Ento, podemos escrever:

20

' .". ) 125 (3.4)

Figura 22 Caracterstica freqncia por potncia de uma rea dotada apenas de regulao primria.

3.2.1 Varias reas de Controle com Regulao Primria Quando escolhemos a poltica de controle de um sistema de potncia atravs da

subdiviso em reas de controle teremos a criao de varias delas de acordo com as caractersticas do mercado atendido, da capacidade de gerao, das prprias caractersticas do sistema, etc.

Como foi dito anteriormente no h necessidade de uma empresa ter obrigatoriamente uma rea de controle, na Figura 23 podemos observar como era a diviso do sistema interligado Sul-Sudeste no Brasil h quase 30 anos atrs. Nem sempre h necessidade que uma empresa seja obrigatoriamente rea de controle. Se a mesma no dispuser de recursos prprios de gerao para efetuar o controle de sua carga a cada instante, ela dever operar sob a rea de controle de outra empresa que a auxilie nesta funo (caso da Celesc e Eletrosul). A primeira dita no-controladora e a segunda chamada controladora de rea.

21

Figura 23 reas de controle do Sistema Sul-Sudeste Brasileiro h quase 30 anos atrs.

Antes de continuar o estudo do comportamento do sistema para mais de uma rea de controle precisamos definir uma grandeza chamada Coeficiente de Potncia Sincronizante, o qual pode ser escrito como:

67 889:9 cos>7 (3.5) Sendo:

>7 > ) >7 Com o intuito de entender melhor o comportamento do sistema para mais de uma rea de controle analisamos a situao ilustrada na Figura 24, onde temos um sistema com duas reas de controle somente com regulao primria.

22

Figura 24 Sistema interligado com duas reas de controle.

Neste sistema inicialmente temos um intercmbio de potncia fluindo da rea 1 para a rea 2, ou seja a primeira uma rea exportadora, aps um aumento na carga da primeira rea controladora, os objetivos da anlise do sistema so: saber qual ser o valor da freqncia do sistema em regime permanente, conhecer o valor do intercmbio entre as reas e finalmente obter a variao da gerao de cada unidade geradora do sistema.

O valor final da freqncia do sistema pode ser definido como:

' .". 12@A@B5C (3.6) O intercmbio lquido global entre duas reas definido por:

DE 5F 12@G5CA@B 12F5C (3.7) A variao de cada unidade geradora dada atravs da seguinte equao:

#D ) #/D 0D' .". * DE (3.8) Sendo:

N = Nmero de reas de controle do sistema.

n = Nmero da rea de controle para a qual desejamos calcular o intercmbio ou a variao da unidade geradora.

4= Caracterstica natural do sistema, ou seja, a soma de todas as caractersticas naturais das reas do sistema.

23

As observaes feitas anteriormente sobre o caso de uma nica rea de controle com mais de uma unidade geradora, continua valendo, ou seja, a rea de controle que possuir maior caracterstica natural ser aquela que mais elevar a sua gerao de forma a atender ao aumento da demanda, mesmo que o aumento da carga no acontea na sua rea de controle. importante destacar que para que isto seja possvel o sistema deve trabalhar com bastante folga nas linhas de transmisso de forma a permitir a variao no intercmbio entre as reas, assim como uma capacidade de gerao ociosa em cada uma das reas de controle.

3.2.2 Varias reas de Controle com Regulao Secundria Para possibilitar a anlise do comportamento de sistemas divididos em varias reas de

controle com regulao secundria precisamos definir uma grandeza chamada Erro de Controle de rea (ECA). Esta grandeza corresponde ao sinal injetado no integrador e, portanto, a grandeza que deve ser corrigida.

A diviso do sistema em diversas reas de controle normalmente corresponde as fronteiras fsicas dos sistemas das empresas ou grupos de empresas associadas. Embora, isto no seja nenhum fato obrigatrio como foi mencionado anteriormente.

O sistema de Controle Automtico da Gerao (CAG) tem outra finalidade alm de manter a freqncia do sistema igual ao valor de referncia, esta funo complementar tem por objetivo controlar os intercmbios de potncia entre as distintas reas de controle. Pois, o controle deste intercmbio permite as empresas de uma determinada rea de controle a tomada de algumas decises. Por exemplo, a paralisao de algumas unidades geradoras para rpidos servios de manuteno ou a paralisao de algumas unidades geradoras com o intuito do armazenamento de energia.

Os trs modos de operao do sistema de Controle Automtico da Gerao (CAG) so:

Flat Frequency (FF): Neste modo o controle atua de forma a anular somente o erro de freqncia, portanto neste modo o controle permite uma variao do intercmbio de potncia entre as reas de controle.

Flat Tie Line (FTL): Neste modo o controle atua de forma a anular somente o erro do intercmbio de potncia entre as reas de controle.

24

Tie Line Bias (TLB): Neste modo de operao o controle atua a fim de anular tanto o erro de freqncia como o erro do intercmbio entre as reas de controle.

No diagrama de blocos da Figura 25 podemos observar o sinal injetado no integrador da regulao secundria (ECA), a composio deste sinal varia com o modo de operao do Controle Automtico da Gerao (CAG).

Figura 25 Diagrama de Blocos do Erro de Controle de rea para os modos FF e TLB.

Independentemente do modo de operao do Controle Automtico da Gerao (CAG) o objetivo do mesmo corrigir o sinal injetado no integrador, ou seja, o Erro de Controle de rea (ECA). As grandezas que compem o Erro de Controle de rea (ECA) para cada modo de operao so:

HIJ K' (3.9) HIJE (3.10) HIJEL K' * (3.11)

25

3.3 Ajuste do Bias (B) Primeiramente, gostaramos de deixar claro que consideramos que o ajuste timo de

Bias (B) de cada rea depende fundamentalmente dos parmetros de reguladores de velocidade e turbinas adotados, bem como do que chamamos tamanho eltrico da rea. Isto significa a grandeza do seu parque gerador, as dimenses e caractersticas de sua carga, o malhamento e adequacidade do seu sistema de transmisso etc. Enfim, o balanceamento carga-gerao de cada rea ser muito importante nesta anlise, e principalmente a margem de regulao de cada rea [5].

A fim de verificar o impacto da variao do Bias (B) vamos analisar novamente o sistema da Figura 20, ou seja, um sistema com duas reas de controle, onde inicialmente temos um intercmbio de potncia fluindo da rea 1 para a rea 2. As anlises sero feitas para o modo de operao Tie Line Bias (TLB) no qual o controle busca anular tanto o erro de freqncia quanto o erro do intercmbio de potncia.

1o caso: MK 4K7 47 N M#/ 0#/7 O 0N

Substituindo as equaes (3.6) e (3.7) na equao (3.11) para o caso de duas reas de controle chegamos aos seguintes resultados.

Se tivssemos somente regulao primria, obteramos.

' .". 129559 (3.12)

.". 5129559 (3.13) Aps a regulao secundria:

HIJ K' * .". 5129559 *5129559 0 (3.14)

HIJ7 K7' * 7 .".PK7' ) .". 59129559 )5129559 )#/7 (3.15)

26

Ou seja, o Erro do Controle de rea (ECA) da segunda rea de controle negativo, isto levara ao controle secundrio da rea 2 a elevar a sua gerao de #/7, no sentido de absorver a sua prpria variao de carga.

2o caso: MK 0.54K7 0.547 N M#/ 0#/7 O 0N

Para este caso, novamente se tivssemos somente a ao a regulao primria

chegaramos aos mesmos resultados do caso anterior, ou seja:

' .". 129559 (3.16)

.". 5129559 (3.17) Agora aps a ao da regulao secundria temos:

HIJ K' * .". 57 129559 *5129559 57

129559 (3.18)

HIJ7 K7' * 7 .".PK7' ) .".

597

129559 )5129559 ) R

5S99559T #/7 (3.19)

Com isto podemos ver que apesar de que o aumento de carga ocorreu na rea 2, na rea 1 haver um Erro de Controle de rea (ECA) positivo, ou seja, a ao do controle secundrio da rea 1 ser no sentido de reduzir a sua gerao. J no caso da rea 2 temos um Erro de Controle de rea (ECA) negativo, portanto a rea 2 ir aumentar a sua gerao.

3o caso: MK 1.54K7 1.547 N M#/ 0#/7 O 0N

Novamente temos para o caso da atuao somente da regulao primria.

' .". 129559 (3.20)

.". 5129559 (3.21)

27

Agora, aps a ao da regulao secundria temos:

HIJ K' * .". V57 129559 *5129559 ) 57

129559 (3.22)

HIJ7 K7' * 7 .".PK7' ) .".

V597

129559 )5129559 ) R

5WS99559 T #/7 (3.23)

Para este caso mesmo com o aumento da gerao ocorrido na rea 2, a regulao secundria da rea 1 provoca um aumento na sua gerao, pois o seu Erro de Controle de rea (ECA) negativo. Em relao segunda rea de controle vemos que tambm ocorre um aumento na gerao, pois neste caso o Erro de Controle de rea (ECA) tambm negativo. Ou seja, a tendncia inicial de sobrefreqncia ainda maior, pois h um excesso de gerao.

Aps a anlise destes resultados podemos dizer que:

As reas de controle em que K 4 possuem como caracterstica o fato da no elevao da sua gerao nos casos em que o aumento da carga acontece em outras reas.

As reas em que K X 4 apresentam como caracterstica o fato da diminuio da sua gerao desde que o aumento da carga acontea em outra rea de controle, ou seja, esta opo de ajuste provoca um Erro de Controle de rea (ECA) positivo nas reas em que no houve um acrscimo de carga.

As reas de controle em que K Y 4 tem como caracterstica bsica o aumento da gerao, apesar do fato de que o aumento da carga seja em outras reas. Isto quer dizer que este tipo de ajuste produzir um Erro de Controle de rea (ECA) negativo mesmo nas reas em que no houve aumento da carga.

A seguinte sistemtica pode ser sugerida para a escolha dos Ajustes das diversas reas, lembrando que cada caso deve ser pesquisado atravs de simulaes dinmicas:

reas de controle com uma capacidade de gerao ociosa em relao a sua carga prpria podero adotar uma poltica de K Z 4, garantindo assim o socorro a eventuais reas carentes. claro que o melhor ajuste depende do desempenho transitrio dos reguladores.

28

As reas de controle com pequena capacidade de gerao em relao a sua prpria carga devero adotar um ajuste do tipo K [ 4, diminuindo assim o risco de prejudicar os seus consumidores ao ajudar outras reas de controle.

Novamente destacamos que as sugestes aqui realizadas podem variar para cada caso e que a melhor opo analisar cada caso individualmente de acordo com o seu comportamento dinmico. Para maiores informaes sobre tcnicas mais apuradas para a determinao do ajuste timo de Bias (B) a referncia [5] pode ser consultada.

29

Captulo 4

Descrio do Programa


O Simulador para Redes Eltricas com Gerao Distribuda, Simulight [5] foi desenvolvido pelo Laboratrio de Sistemas de Potncia (pertencente ao Programa de Engenharia Eltrica da COPPE/UFRJ) a pedido da Light, pois no ano 2001 a crise energtica que assolava ao pas gerou um crescente aumento do nmero de pedidos de acessos de Produtores Independentes de Energia ao sistema Light, ultrapassando a capacidade da empresa de analisar, em tempo hbil, os requisitos tcnicos das anlises estticas e dinmicas necessrias para permitir a conexo dos mesmos sua rede. O desenvolvimento do Simulight iniciou-se como um projeto P&D ANEEL no ciclo 2001/2002 e continuou a ser aperfeioado tambm como projeto P&D ANEEL no ciclo 2005/2006.

A conexo de Produtores Independentes de Energia nas redes de sub-transmisso e distribuio vm crescendo desde ento. Isto trs muitas vantagens ao sistema em geral, mas tambm alguns problemas e desafios. O principal problema radica no fato de que tanto os sistemas de sub-transmisso quanto os de distribuio no foram concebidos para ter unidades geradoras em suas redes, sendo que a presena destas unidades geradoras altera o seu modo de operao.

Por outro lado, as ferramentas computacionais disponveis para as redes comentadas no esto totalmente adequadas aos necessrios estudos de carter esttico e dinmico. A existncia de uma grande quantidade e o contnuo aumento do nmero de Produtores Independentes de Energia, Autoprodutores e Co-geradores, requerem um estudo mais profundo dos efeitos dinmicos que os mesmos causam rede eltrica. A possibilidade de estas unidades geradoras operarem em paralelo, de forma permanente ou no, com a rede de distribuio ou sub-transmisso, uma realidade que deve ser considerada nos estudos dinmicos. Este tipo de operao, apesar de no ser muito comum pode diminuir o nmero de consumidores que teriam o seu fornecimento de energia cortado durante a ocorrncia de um

30

defeito, desta forma este modo de operao contribuiria para aumentar o nvel de satisfao dos clientes da concessionria, assim como aumentar os ndices de desempenho da rede eltrica.

O estudo do impacto da presena dos Produtores Independentes de Energia na rede foge do escopo deste trabalho, porm o programa permite tambm anlises estticas e dinmicas de sistemas de grande porte.

4.2 Caractersticas do Simulight

O Programa Simulight um software para avaliao do desempenho dinmico de sistemas de energia eltrica de grande porte, compreendendo os segmentos de gerao, transmisso, sub-transmisso e distribuio, com a presena de gerao distribuda conectada aos segmentos de sub-transmisso ou distribuio. O programa particularmente adequado ao estudo da resposta dos sistemas a grandes perturbaes (curto-circuitos, desligamentos de linhas de transmisso, etc.), com vistas a testar a manuteno do sincronismo aps esse tipo de distrbio, em estudos conhecidos como de Estabilidade Transitria. O Simulight engloba, tambm, um mdulo de anlise em regime permanente (fluxo de potncia), o qual pode ser utilizado de forma independente, ou para gerar condies iniciais para o mdulo de avaliao do desempeno dinmico. O Simulight desenvolvido utilizando um conjunto de bibliotecas agrupadas num framework denominado FASEE (Framework para Anlise de Sistemas Eltricos de Energia). O FASEE foi idealizado e inicialmente implementado na Tese de Doutorado do D. Sc. Alessandro Manzoni utilizando conceitos avanados de Modelagem Orientada a Objetos [6]. O Simulight codificado na linguagem C++ em um ambiente integrado dos modelos e aplicativos no padro Windows.

No programa Simulight um considervel esforo de desenvolvimento foi investido no sentido de oferecer ao usurio uma ferramenta de fcil manipulao em que toda estrutura topolgica da rede eltrica fosse acessada de forma simples e direta, sendo todo o gernciamento dos dados e ferramentas feito diretamente na interface grfica, sem a utilizao de programas ou mdulos adicionais.

Uma caracterstica importante do Simulight a integrao dos programas de fluxo de potncia (anlise esttica) e estabilidade transitria (anlise dinmica) no mesmo banco de

31

dados atravs de uma interface grfica nica. Esta caracterstica responsvel pelo ganho de produtividade dos usurios assim como pela melhoria na qualidade dos resultados obtidos.

O Simulight permite a realizao dos seguintes estudos:

Fluxo de Potncia

Estabilidade transitria em geral

Rejeio de carga Esforo torsional nos geradores

Ilhamento de reas do sistema

Desempenho dinmico da Gerao Distribuda (GD) Etc.

O Simulight capaz de simular a atuao da proteo, criando ou eliminando diversas ilhas eltricas ao longo dos estudos. Esta caracterstica alm de ser inovadora entre os programas de simulaes comerciais fundamental nos estudos envolvendo a presena de Produtores Independentes de Energia diretamente ligados nas redes de sub-transmisso e distribuio.

A proteo pode atuar em dois modos de operao, Monitorao ou Ativo. No primeiro, como o nome sugere, os rels so encarregados apenas da observao do sistema gerando assim um log com todos os eventos relacionados grandeza monitorada por aquele rel. J no modo Ativo, os rels atuam abrindo ou fechando os disjuntores de acordo com a variao das grandezas por eles monitoradas.

Outra caracterstica importante do Simulight o fato do programa permitir a utilizao de modelos de equipamentos feitos pelo usurio. Esta modelagem pode ser utilizada tanto para as anlises estticas como para as anlises dinmicas, de acordo com os modelos utilizados. A modelagem dever ser feita utilizando a meta-linguagem XML (Extensible Markup Language). Maiores detalhes sobre a meta-linguagem podem ser encontrados em [7]. Este trabalho no tem por objetivo principal fornecer muitos detalhes sobre esta meta-linguagem, entre tanto para facilitar a compreenso um pequeno exemplo apresentado na Seo 4.4.

32

4.3 Utilizao bsica do programa

A seguir apresentado um pequeno resumo da utilizao do programa obtido de [4]. O Programa Simulight permite a insero, edio ou eliminao de todos os dispositivos ou equipamentos que conformam a topologia do sistema atravs Painel Rede Eltrica. Aqui o usurio pode criar, editar ou eliminar as distintas reas ou subestaes do sistema, conforme podemos ver na Figura 26.

Figura 26 Simulight: Painel Rede Eltrica.

Uma vez criadas s distintas reas e subestaes que compem o sistema a ser estudado. Os distintos elementos que compem uma subestao (geradores, transformadores, reatores, medidores, etc.) podem ser criados, editados ou eliminados das mesmas atravs das abas mostradas na Figura 27.

Figura 27 Simulight: Alterao dos elementos de uma subestao.

33

Os distintos elementos de cada subestao podem ter seus parmetros eltricos modificados, assim como os modelos utilizados para as anlises estticas ou dinmicas. Cada elemento possui varias abas que permitem executar estas modificaes, isto pode ser visto na Figura 28 a), b) e c) para um gerador. E na Figura 29 a) e b) para um transformador, as abas dos demais elementos so as mesmas, variando apenas os parmetros a ser modificados.

a) b) c) Figura 28 Simulight: Alterao dos parmetros de um gerador.

a) b) c) Figura 29 Simulight: Alterao dos parmetros de transformadores e medidores.

34

A fim de poder observar os resultados das simulaes o programa permite a colocao de medidores nos distintos elementos das subestaes, estes medidores podem ser de grandezas como tenso de uma barra, freqncia do sistema, potncia ativa de um gerador, etc.

Estes medidores tambm podem ser utilizados para medir sinais internos dos modelos dos equipamentos usados no programa, por exemplo; o ngulo de um gerador. Uma vez realizadas estas medies os dados podem ser registrados para sua posterior utilizao. Esta opo mostrada na Figura 29 c). Como foi mencionado o programa permite o clculo do fluxo de potncia e na Figura 30 observamos a janela de execuo do mesmo. A visualizao dos resultados destas anlises estticas realizada atravs de diversos relatrios, separados por rea ou por subestao. Na Figura 32 podemos observar um relatrio por subestao aps rodar o fluxo de potncia no sistema.

Figura 30 Simulight: Execuo do fluxo de potncia.

Figura 31 Simulight: Execuo de anlises de estabilidade transitria.

35

A janela utilizada para a realizao de anlises de estabilidade transitria mostrada na Figura 31, o programa permite a visualizao dos resultados atravs de grficos, cujos dados so obtidos com o auxlio dos medidores. Os resultados so apresentados com uma diviso de acordo com as ilhas eltricas resultantes aps a simulao. Entre as possibilidades que o programa permite, podemos mencionar algumas como: exportao dos dados dos grficos, alterao das legendas, ajuste das escalas dos grficos, ajuste da formatao dos grficos, etc. Tambm importante destacar que o programa permite a realizao de simulaes parciais, ou seja, para um novo evento na anlise, no necessrio recomear a simulao. Na Figura 33 podemos observar a interface que apresenta os registradores grficos.

Figura 32 Simulight: Relatrio por subestao do fluxo de potncia.

Figura 33 Simulight: Registradores Grficos.

36

4.4 Utilizao avanada do programa

A montagem de um modelo (seja de um gerador distribudo, de um regulador de tenso, de um estabilizador de tenso, etc.) feita atravs da montagem do diagrama de blocos correspondente. Para isto utiliza-se um conjunto de blocos elementares disponibilizados no Simulight. Na Figura 34 podemos observar o formato de entrada dos dados do modelo a ser criado.

Figura 34 Formato de entrada dos dados de novos modelos.

Alguns dos principais blocos disponibilizados no Simulight podem ser observados na Figura 36. importante salientar que alm destes blocos o programa possui outros blocos matemticos, dinmicos e blocos no lineares. A fim de mostrar a utilizao de alguns destes blocos o modelo do Regulador Automtico de Tenso mostrado na Figura 35 ser apresentado na Figura 37 escrito na meta-linguagem XML j no formato de entrada do programa.

Figura 35 Modelo de um Regulador Automtico de Tenso.

37

Figura 36 Exemplo de blocos matemticos do Simulight.

Figura 37 Modelo do Regulador Automtico de Tenso em XML.

38

Captulo 5

Simulaes e Anlise de Resultados


A implementao dos modelos propostos no captulo 3 testada neste captulo utilizando o Simulight em dois sistemas eltricos prticos: um sistema de pequeno porte de 16 barras (SIS16B) e uma configurao do sistema brasileiro de 1005 barras (BRASIL1005B). Cada sistema ser simulado inicialmente somente com regulao primria e posteriormente com regulao secundria.

As anlises que sero feitas em ambos sistemas so para os seguintes casos:

Caso I: Decrscimo de carga; ou seja, uma diminuio em relao carga nominal de cada rea de controle.

Caso II: Acrscimo de carga; o sistema sofrer um aumento em relao carga nominal de cada rea de controle.

Caso III: Perda de algumas linhas do sistema.

O desempenho do controle implementado depende de vrios fatores, entre eles os valores escolhidos para os parmetros B e Kcag, os quais so denominados Bias e ganho do integrador do Controle secundrio respectivamente. Outro fator fundamental o modo de operao do Controle Automtico da Gerao (CAG). Neste trabalho ser analisado o modo Flat Frequency para todos os casos, ou seja, o sistema dever ser capaz de controlar somente a freqncia do sistema sem importar a variao do intercmbio entre as reas.

5.2 Sistema SIS16B

O sistema de 16 barras composto por 14 linhas de transmisso e 10 subestaes, das quais duas possuem unidades geradoras e nove possuem cargas, este sistema foi obtido em [8]. Para a anlise do comportamento do sistema o mesmo foi dividido em duas reas de controle, a primeira com uma carga nominal de 169 MW uma unidade geradora com

39

capacidade mxima de 422 MW. A segunda rea de controle possui uma carga de 137 MW e uma unidade geradora com capacidade mxima de 140 MW. A carga nominal do sistema de 306 MW enquanto que a sua capacidade de gerao de 562 MW. Um diagrama do sistema pode ser observado na Figura 38, os dados do sistema podem ser encontrados nas Tabelas 1, 2 e 3 do Apndice A.

Figu

ra 3

8

Sist

ema d

e 16

Barr

as

(SIS

16B)

u

tiliz

ado

nas

simu

la

es.

40

Caso I: Decrscimo de carga.

A contingncia considerada uma diminuio nas cargas das barras 4 e 13 do sistema, isto representa uma reduo aproximada de 30% na carga do sistema. Esta reduo da carga pode ser comprovada na Figura 39, onde as cargas das Barras 4 e 13 foram desligadas aos 5 segundos da simulao.

Figura 39 (SIS16B) Cargas do Sistema no Caso I.

A reduo da gerao pode ser observada na Figura 40, onde podemos ver que inicialmente o sistema tinha uma gerao de 308,01 MW passando depois a 228,34 MW, ou seja, houve uma reduo de 79,67 MW. Podemos ver que apesar da diminuio da carga aplicada foi de 91 MW as outras cargas aumentaram um pouco devido variao da tenso nas barras, pois o modelo utilizado para as cargas o de impedncia constante, o qual produz uma variao na carga proporcional ao quadrado da tenso, isto pode ser visto na Figura 39. A gerao inicial da rea 1 era de 200,01MW passando aps a perturbao a 148,32 MW. J na rea 2 inicialmente a gerao era de 108 MW e aps a reduo da carga a mesma era de 80,02 MW.

41

Figura 40 (SIS16B) Gerao do Sistema com regulao secundria no Caso I.

Na Figura 41 observamos o comportamento da freqncia do sistema somente com a atuao da regulao primria, a mesma sofre uma oscilao com a diminuio da carga e posteriormente com a atuao da regulao primria estabiliza em 60.40 Hz, ou seja, acima do seu valor nominal. J na Figura 42 podemos observar o comportamento da freqncia do sistema com Controle Automtico da Gerao (CAG), como era esperado o mesmo conseguiu restabelec-la ao seu valor de referncia. O controle demorou aproximadamente 60 segundos aps a aplicao da reduo na carga para restabelecer a freqncia do sistema ao seu valor nominal, isto se deve ao valor estabelecido para o ganho do integrador da regulao secundria, ou seja, o parmetro Kcag.

42

Figura 41 (SIS16B) Freqncia no Caso I com regulao primria.

Figura 42 (SIS16B) Freqncia no Caso I com regulao secundria.

Com relao ao intercmbio entre as reas de controle, nas Figuras 43 e 44 podemos observar a variao do mesmo atravs das 3 linhas que ligam as duas reas de controle. Lembrando que como o sistema est operando no modo Flat Frequency, o controle busca

43

somente levar a freqncia ao seu valor nominal, sem interferir na variao do intercmbio entre as reas.

O comportamento das duas linhas que interligam as subestaes 02 e 06 idntico passando de um intercmbio inicial de 11,14 MW da rea 1 para a rea 2, a 2,92 MW da rea 2 para a rea 1 aps a diminuio da carga. A outra ligao entre as reas, ou seja, a linha que interliga as subestaes 03 e 10 inicialmente estava transferindo 7,19 MW da rea 1 para a rea 2 e aps a diminuio da carga este valor passou para 9,43 MW no mesmo sentido.

Figura 43 (SIS16B) Intercmbio entre reas de controle atravs das

subestaes 02 e 06 no Caso I com regulao secundria.

44


subestaes 03 e 10 no Caso I com regulao secundria.

Caso II: Acrscimo de carga.

Para este caso foi efetuado um acrscimo nas cargas das barras 4 e 13 do sistema duplicando o valor das mesmas. Aps a aplicao da contingncia a rea 1 ficou com uma carga nominal de 202 MW e a rea 2 com 195 MW, isto representa um aumento de aproximadamente 30% na carga total do sistema. Este aumento na carga pode ser observado Figura 45. Novamente o aumento da carga aconteceu aos 5 segundos da simulao.

A gerao das duas reas dever aumentar de forma a responder ao aumento da carga no sistema. Na Figura 46 podemos ver que a rea 1 inicialmente estava gerando 200,01 MW e aps o aumento da carga passou a gerar 249,86 MW, por outro lado na rea 2 a gerao antes do degrau era de 108 MW e aps a aplicao do mesmo passou para 135 MW. Com isto podemos ver que a carga total do sistema, inicialmente era de 308,01 e aps o aumento esta foi para 384,86 MW, lembrando que neste caso as cargas foram modeladas da mesma forma que no caso anterior.

45

Figura 45 (SIS16B) Cargas do Sistema no Caso II.

Figura 46 (SIS16B) Gerao do Sistema com regulao secundria no Caso II.

Na Figura 47 podemos observar o comportamento da freqncia do sistema sem a ao da regulao secundria, como era esperado a regulao primria conseguiu estabilizar a freqncia em 59.63 Hz, este valor encontra-se abaixo da freqncia nominal. Por outro lado na Figura 48 podemos observar a variao da freqncia do sistema j com a regulao secundria, a mesma sofre uma oscilao aps o aumento da carga, porm podemos ver que o controle secundrio consegue lev-la de volta ao seu valor de referncia, devido ao valor do

46

ganho do integrador o controle demora em volta de um minuto at conseguir estabelecer a freqncia no seu valor de referncia novamente.

Figura 47 (SIS16B) Freqncia no Caso II com regulao primria.

Figura 48 (SIS16B) Freqncia no Caso II com regulao secundria.

Como foi mencionado anteriormente na rea 2 houve um aumento na carga maior do que o aumento na gerao da mesma, isto provocou um aumento no intercmbio de potncia entre as duas reas, nas duas linhas que vo da subestao 02 para a 06 o intercmbio passou de 11,14 MW para 24,02 MW, ou seja a rea 1 aumentou a sua exportao para a rea 2, j na

47

linha que liga a subestao 03 a 10 no sofreu grandes alteraes passando de 7,19 MW para 4,43 MW aps o aumento da carga, neste caso houve uma pequena diminuio da exportao da rea 1 para a rea 2. Isto pode ser visto nas Figuras 49 e 50 respectivamente.


subestaes 02 e 06 no Caso II com regulao secundria.


subestaes 03 e 10 no Caso II com regulao secundria.

48

Caso III: Perda de vrias linhas.

Para este caso o evento aplicado foi a abertura dos disjuntores das linhas de transmisso que interligam as duas reas de controle, ou seja, as duas linhas que vo da subestao 02 subestao 06 e a linha que liga as subestaes 03 e 10. Na Figura 51 podemos observar que inicialmente o intercmbio era de 11,14 MW para as duas linhas que vo da subestao 02 subestao 06 e de 7,19 MW para a linha que liga a subestao 03 a subestao 10, aps a abertura dos disjuntores aos 5 segundos da simulao a potncia nas linhas foi a zero.

Figura 51 (SIS16B) Intercmbio entre reas de controle no Caso III.

A gerao das duas reas dever aumentar ou diminuir de forma independente buscando responder variao de carga da sua rea. Antes da abertura das linhas a rea 1 e a rea 2 geravam 200,01 MW e 108 MW, respectivamente. Atendendo assim a carga total do sistema. Aps o desligamento do intercmbio podemos ver que a rea 1 diminui a sua gerao para 160,35 MW, j na rea 2 a gerao aumentou para 152,35 MW. Este comportamento dos geradores pode ser observado na Figura 52.

49

Figura 52 (SIS16B) Gerao do Sistema com regulao secundria

no Caso III.

Diferente das anlises anteriores aps a aplicao da contingncia ao sistema, o mesmo ter duas reas de controle independentes e, portanto duas variaes de freqncia diferentes. As medidas de freqncia foram realizadas nas subestaes 03 e 09 de forma a medir a freqncia da rea 1 e rea 2, respectivamente.

Inicialmente podemos ver na Figuras 53 as freqncias das reas 1 e 2, respectivamente. Novamente neste caso mostrado o comportamento da freqncia do sistema somente com a atuao da regulao primria. Como era esperado para uma diminuio da carga a freqncia da rea 1 estabilizou em 60.28 Hz,ou seja, um valor acima do valor nominal do sistema, na rea 2 aconteceu o contrrio j que neste caso a rea 2 sofreu um aumento da sua carga, conseqentemente a atuao da regulao primria levou a sua freqncia ao valor de 59.26 Hz, novamente diferente do valor nominal do sistema.

O comportamento do sistema j com a regulao secundria pode ser visto na figura 54. No caso da rea 1 a mesma sofre inicialmente um aumento devido diminuio da gerao. Na rea 2 acontece o contrrio, inicialmente acontece uma diminuio da freqncia, pois a gerao aumenta. Para ambos os casos, como era esperado, o Controle Automtico da Gerao (CAG) conseguiu estabilizar a freqncia dos sistemas no seu valor nominal.

50

Figura 53 (SIS16B) Freqncia no Caso III com regulao primria.

Figura 54 (SIS16B) Freqncia no Caso III com regulao secundria.

51

5.3 Sistema BRASIL1005B

Este sistema foi apresentado em [9] e representa um equivalente de uma configurao real do sistema brasileiro (SIN) correspondente ao cenrio de carga pesada de maro de 2007. O equivalente foi obtido substituindo-se o intercmbio com as regies Norte e Nordeste e o elo CC por injees de potncia. O mesmo possui 1005 barras e 626 subestaes das quais 94 possuem unidades geradoras. A demanda total do sistema de 36307 MW. Apesar de o sistema operar no modo Flat Frequency, por motivos didticos o mesmo foi divido em duas reas de controle, A topologia do sistema utilizado nas simulaes pode ser observada na Figura 55.

Figura 55 (BRASIL1005B) Topologia.

52

Inicialmente o Sistema BRASIL1005B apresentou uma resposta aparentemente estvel, entretanto as respostas do mesmo apresentavam muitas oscilaes. Na Figura 56 observa-se a variao da freqncia do sistema para um acrscimo de carga.

Atravs da anlise dos ngulos dos geradores foi constatado que trs apresentavam uma instabilidade ao longo das simulaes causando as oscilaes nas respostas do sistema. Para corrigir este problema foi necessrio modificar alguns dos modelos utilizados nas simulaes.

Os modelos das unidades geradoras das subestaes Ilha dos Pombos, Mascarenhas e Emborcao foram substitudos por modelos de impedncia constante. Desta forma o problema foi resolvido.

Figura 56 (BRASIL1005B) Freqncia no Caso I com regulao secundria.

53

Caso I: Decrscimo de carga.

Os sistemas devem ser capazes de suportar variaes repentinas de 5% em relao carga nominal de acordo com as normas citadas em [10].

Com o objetivo de verificar o comportamento do sistema foi efetuada uma diminuio da carga de 1816.53 MW (aproximadamente 5 % em relao carga nominal). Isto pode ser verificado na Figura 57, onde podemos ver o desligamento de 4 cargas do sistema, ligadas nas subestaes de Bateias (R. Sul), Campinas (R. Sudeste), Londrina (R. Sul) e Neves(R. Sudeste), o desligamento foi efetuado aos 5 segundos da simulao.

Inicialmente foi simulado o comportamento do sistema dotado somente de regulao primria. Na figura 58 observa-se que a freqncia do sistema estabiliza em um valor acima do valor nominal: 60.04 Hz.

Figura 57 (BRASIL1005B) Cargas do Sistema no Caso I.

54

Figura 58 (BRASIL1005B) Freqncia no Caso I com regulao primria.

Posteriormente foi simulado o comportamento do sistema, porm j com a regulao secundria atuando, na Figura 59 observa-se a variao das unidades geradoras participantes do Controle Automtico da Gerao (CAG. Nesta Figura mostra-se que a diminuio total da gerao foi de 1205,28 MW, o que atende a diminuio causada pelas perdas das cargas mais a variao das cargas com a tenso, pois as cargas so modeladas utilizando o modelo de impedncia constante. importante recordar que todas as unidades que possuem reguladores de velocidade diminuram a sua gerao de forma a atender ao balano de carga-gerao, porm aqui s comentamos a variao das unidades participantes da regulao secundria (Itumbiara, Barreto, Jose Richa, Salto Osorio, Ilha Solteira, Jupia, Equivalente da regio norte e nordeste, Machadinho, Salto Santiago, Itaipu e Marimbondo).

Com a queda da demanda do sistema, o aumento da freqncia corrigido pela atuao do Controle Automtico da Gerao (CAG). Na Figura 60 observa-se a atuao do mesmo levando a freqncia ao seu valor nominal.

Figura 59 (BRASIL1005B)


(BRASIL1005B) Gerao das unidades participantes da

regulao secundria no Caso I.

(BRASIL1005B) Freqncia no Caso I com regulao secundria

55

Gerao das unidades participantes da

Freqncia no Caso I com regulao secundria.

Como o controle secundrio atua no modo Flat Frequency o ireas de controle pode variar livremente. Na Figura 61observadiversas linhas do sistema, esta variao pode ser resumida analisando conjuntamente as 5 linhas que transferem a energia exportada pela regique exportam energia ativa da regio Sudeste para a regio Sul.

Inicialmente a regio Sul estava exportando para a regio Sudeste 9463,14 MW e aps a diminuio da carga a exportao da mesma diminuiu para 9219,21decrscimo de 243,93 MW. Por outro lado antes da diminuio da demanda a regio Sudeste estava transferindo para a regio Sul 1470,1 MW e posteriormente 1453,78 MW. Podemos ver que na regio sudeste houve uma diminuio maior, isto dcarga desligada encontra-se nessa regio, novamente bom destacar que alem das unidades participantes da regulao secundria, existem outras unidades variando a sua gerao, contribuindo assim para a variao no intercambio e


Como o controle secundrio atua no modo Flat Frequency o ireas de controle pode variar livremente. Na Figura 61observa-se fluxo de potncia ativa, nas diversas linhas do sistema, esta variao pode ser resumida analisando conjuntamente as 5 linhas que transferem a energia exportada pela regio Sul para a regio Sudeste, e as 6 linhas que exportam energia ativa da regio Sudeste para a regio Sul.

Inicialmente a regio Sul estava exportando para a regio Sudeste 9463,14 MW e aps a diminuio da carga a exportao da mesma diminuiu para 9219,21 MW, ou seja, houve um decrscimo de 243,93 MW. Por outro lado antes da diminuio da demanda a regio Sudeste estava transferindo para a regio Sul 1470,1 MW e posteriormente 1453,78 MW. Podemos ver que na regio sudeste houve uma diminuio maior, isto devido a que a maior parte da

se nessa regio, novamente bom destacar que alem das unidades participantes da regulao secundria, existem outras unidades variando a sua gerao, contribuindo assim para a variao no intercambio entre as reas.

(BRASIL1005B) Intercmbio entre reas de controle no Caso I com regulao secundria.

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Como o controle secundrio atua no modo Flat Frequency o intercambio entre as se fluxo de potncia ativa, nas

diversas linhas do sistema, esta variao pode ser resumida analisando conjuntamente as 5 o Sul para a regio Sudeste, e as 6 linhas

Inicialmente a regio Sul estava exportando para a regio Sudeste 9463,14 MW e aps MW, ou seja, houve um

decrscimo de 243,93 MW. Por outro lado antes da diminuio da demanda a regio Sudeste estava transferindo para a regio Sul 1470,1 MW e posteriormente 1453,78 MW. Podemos

evido a que a maior parte da se nessa regio, novamente bom destacar que alem das unidades

participantes da regulao secundria, existem outras unidades variando a sua gerao,

Intercmbio entre reas de controle no Caso I com

Caso II: Acrscimo de carga

Para este caso novamente foi aplicada uma contingncia representado o acrscimo repentino de carga ao Sistema, porm desta vez as cargas desligadas no primeiro caso foram ligadas, representando um acrscimo de aproximadamente 5% em relao carga nominal Sistema, desta forma a carga nominal do sistema passou a 38123,53 MW, isto pode ser confirmado na Figura 62, novamente a variao foi aplicada aos 5 segundos da simulao.

Como era esperado a freqncia do Sistema sem a atuao do Controle Automtico dGerao (CAG), ou seja, somente com regulao primria ficou abaixo de seu valor nominal, na Figura 63 podemos observar que a mesma estabilizou em 59.94 Hz. Para verificar a atuao da regulao secundria a fim de corrigir o desvio na freqncia do Sistefetuada uma nova simulao, na Figura 64 podemos observar a atuao do controle cumpriu com a sua funo primordial levando a freqncia do Sistema de volta ao seu valor nominal.

Figura 62

Acrscimo de carga.

Para este caso novamente foi aplicada uma contingncia representado o acrscimo repentino de carga ao Sistema, porm desta vez as cargas desligadas no primeiro caso foram ligadas, representando um acrscimo de aproximadamente 5% em relao carga nominal Sistema, desta forma a carga nominal do sistema passou a 38123,53 MW, isto pode ser confirmado na Figura 62, novamente a variao foi aplicada aos 5 segundos da simulao.

Como era esperado a freqncia do Sistema sem a atuao do Controle Automtico dGerao (CAG), ou seja, somente com regulao primria ficou abaixo de seu valor nominal, na Figura 63 podemos observar que a mesma estabilizou em 59.94 Hz. Para verificar a atuao da regulao secundria a fim de corrigir o desvio na freqncia do Sistefetuada uma nova simulao, na Figura 64 podemos observar a atuao do controle cumpriu com a sua funo primordial levando a freqncia do Sistema de volta ao seu valor nominal.

62 (BRASIL1005B) Cargas do Sistema no Caso II

57

Para este caso novamente foi aplicada uma contingncia representado o acrscimo repentino de carga ao Sistema, porm desta vez as cargas desligadas no primeiro caso foram ligadas, representando um acrscimo de aproximadamente 5% em relao carga nominal do Sistema, desta forma a carga nominal do sistema passou a 38123,53 MW, isto pode ser confirmado na Figura 62, novamente a variao foi aplicada aos 5 segundos da simulao.

Como era esperado a freqncia do Sistema sem a atuao do Controle Automtico da Gerao (CAG), ou seja, somente com regulao primria ficou abaixo de seu valor nominal, na Figura 63 podemos observar que a mesma estabilizou em 59.94 Hz. Para verificar a atuao da regulao secundria a fim de corrigir o desvio na freqncia do Sistema foi efetuada uma nova simulao, na Figura 64 podemos observar a atuao do controle cumpriu com a sua funo primordial levando a freqncia do Sistema de volta ao seu valor nominal.

Cargas do Sistema no Caso II.

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Figura 63 (BRASIL1005B) Freqncia no Caso II com regulao primria.

Figura 64 (BRASIL1005B) Freqncia no Caso II com regulao secundria.

As diversas unidades participantes do Controle Automtico da Gerao (CAG) devero aumentar a sua gerao de forma a atender ao aumento da demanda e corrigir o desvio da freqncia do sistema, na Figura 65 podemos ver a variao das unidades geradoras, podemos ver que o aumento total da gerao de 1192,47 MW, o que no atende

ao aumento na carga, pois outras unidades que no participam da regulao secundria tambm respondem ao aumento da carga.


Assim como no caso anterior a regulao secundria tem por foco somente controlar a freqncia do sistema, podendo desta forma o intercambio entre as reas variar livremente, entretanto importante analisar este

capacidade das linhas de transmisso que interligam as duas regies.

Atravs da anlise da Figura 66, novamente agrupando as linhas na exportao da regio Sul para a regio Sudeste e vice versa temos que exportando 9463,14 MW para a regio9714,2 MW, por outro lado a regio Sudeste inicialmente estava exportando a regio Sul e posteriormente ao aumento na car

Novamente a variao no fluxo nas linhas no atende totalmente ao aumento das cargas, pois alem das unidades participantes do Controle Automtico da Gerao (CAG) h outras respondendo ao aumento da carga, porm pode

ao aumento na carga, pois outras unidades que no participam da regulao secundria tambm respondem ao aumento da carga.

(BRASIL1005B) Gerao das unidades partici

regulao secundria no Caso II.

Assim como no caso anterior a regulao secundria tem por foco somente controlar a freqncia do sistema, podendo desta forma o intercambio entre as reas variar livremente, entretanto importante analisar este intercambio, pois poderia haver uma sobrecarga na capacidade das linhas de transmisso que interligam as duas regies.

Atravs da anlise da Figura 66, novamente agrupando as linhas na exportao da regio Sul para a regio Sudeste e vice versa temos que inicialmente a regio Sul estava

9463,14 MW para a regio Sudeste, aps a perturbao este valor passou para por outro lado a regio Sudeste inicialmente estava exportando

a regio Sul e posteriormente ao aumento na carga este valor foi para 1439,35 MW.

Novamente a variao no fluxo nas linhas no atende totalmente ao aumento das cargas, pois alem das unidades participantes do Controle Automtico da Gerao (CAG) h outras respondendo ao aumento da carga, porm pode-se perceber que como o maior aumento

59

ao aumento na carga, pois outras unidades que no participam da regulao secundria


Assim como no caso anterior a regulao secundria tem por foco somente controlar a freqncia do sistema, podendo desta forma o intercambio entre as reas variar livremente,

intercambio, pois poderia haver uma sobrecarga na

Atravs da anlise da Figura 66, novamente agrupando as linhas na exportao da inicialmente a regio Sul estava

Sudeste, aps a perturbao este valor passou para por outro lado a regio Sudeste inicialmente estava exportando 1470,1 MW para

1439,35 MW.

Novamente a variao no fluxo nas linhas no atende totalmente ao aumento das cargas, pois alem das unidades participantes do Controle Automtico da Gerao (CAG) h

erceber que como o maior aumento

de carga foi na regio sudeste, o maior aumento na exportao acontece da regio Sul para a regio Sudeste.


de carga foi na regio sudeste, o maior aumento na exportao acontece da regio Sul para a

(BRASIL1005B) Intercmbio entre reas de controle no Caso II com regulao secundria.

60

de carga foi na regio sudeste, o maior aumento na exportao acontece da regio Sul para a

Intercmbio entre reas de controle no Caso II

61

Caso III: Perda de uma Linha.

Diferente dos casos anteriores a contingncia aplicada agora o desligamento de um dos bipolos da linha CC vindas da usina de Itaipu. O desligamento feito aos 5 segundos da simulao, isto observa-se na Figura 67.

Figura 67 (BRASIL1005B) Fluxo de potncia ativa no Elo CC-1 da usina de Itaipu para a Regio Sudeste no Caso III.

Observa-se na Figura 67 que o fluxo de potncia ativa nesta linha antes da contingncia era de 2408,98 MW, aps o desligamento a contingncia percebida pelo sistema como um aumento de carga.

A primeira anlise feita para esta contingncia foi para o sistema dotado somente de regulao primria, obviamente a freqncia em regime permanente ficou abaixo do valor nominal, como a variao da carga foi pequena a freqncia foi para 59.76 Hz. No caso do sistema dotado de Controle Automtico da Gerao (CAG), o sistema conseguiu restabelecer a freqncia nominal do sistema, ou seja, 60 Hz. Ambas anlises podem ser observadas nas Figuras 68 e 69 respectivamente.

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Figura 68 (BRASIL1005B) Freqncia no Caso III com regulao primria.

Figura 69 (BRASIL1005B) Freqncia no Caso III com regulao secundria.

As diversas unidades participantes do Controle Automtico da Gerao (CAG) devero aumentar a sua gerao de forma a atender ao aumento da demanda corrigindo assim

o desvio da freqncia do sistema, na Figura 70 podemos ver a variao das unidades geradoras, podemos ver que o aumento total da gerao de importante ressaltar que existem outras unidades somente com regulao primria respondendo variao da carga, fechando assim o balano carga

Figura 70 (BRASIL1005

Analisando variao do fluxo nas linhas que interligam os dois subsistemas podemos ver que aps a contingncia, a exportao da regio Sul para a regio Sudeste passou para 7791,87 MW, a mesma era de 9463,14 MW antes da contingncia, por outra parte a regio Sudeste inicialmente estava exportando para a regio Sul 1470,01 MW e como a perda do elo CC percebida como um aumento de carga na regio Sudeste, a mesma diminuiu a sua exportao para 976,17 MW. A variao do fluxo de potncia ativa nas linhas pode ser observada na Figura 71.

o desvio da freqncia do sistema, na Figura 70 podemos ver a variao das unidades s, podemos ver que o aumento total da gerao de 1685,90 MW.

importante ressaltar que existem outras unidades somente com regulao primria respondendo variao da carga, fechando assim o balano carga-gerao.

(BRASIL1005B) Gerao das unidades participantes da

regulao secundria no Caso III.

variao do fluxo nas linhas que interligam os dois subsistemas podemos ver que aps a contingncia, a exportao da regio Sul para a regio Sudeste passou para 7791,87 MW, a mesma era de 9463,14 MW antes da contingncia, por outra parte a regio

inicialmente estava exportando para a regio Sul 1470,01 MW e como a perda do elo CC percebida como um aumento de carga na regio Sudeste, a mesma diminuiu a sua exportao para 976,17 MW. A variao do fluxo de potncia ativa nas linhas pode ser

63

o desvio da freqncia do sistema, na Figura 70 podemos ver a variao das unidades 1685,90 MW. Mais uma vez

importante ressaltar que existem outras unidades somente com regulao primria gerao.


variao do fluxo nas linhas que interligam os dois subsistemas podemos ver que aps a contingncia, a exportao da regio Sul para a regio Sudeste passou para 7791,87 MW, a mesma era de 9463,14 MW antes da contingncia, por outra parte a regio

inicialmente estava exportando para a regio Sul 1470,01 MW e como a perda do elo CC percebida como um aumento de carga na regio Sudeste, a mesma diminuiu a sua exportao para 976,17 MW. A variao do fluxo de potncia ativa nas linhas pode ser


(BRASIL1005B) Intercmbio entre reas de controle no Caso III com regulao secundria.

64

Intercmbio entre reas de controle no Caso III

65

Captulo 6

Concluses

6.1 Concluses Gerais

O trabalho descrito no presente documento apresentou a modelagem e implementao do Controle Automtico da Gerao (CAG) no Simulador para Redes Eltricas com Gerao Distribuda, Simulight. Entretanto os modelos utilizados no trabalho poderiam facilmente ser adaptados para a sua utilizao em outros softwares para modelagem e simulao para sistemas de energia eltrica.

O objetivo primordial do controle implementado no trabalho foi o de manter o balano entre a potncia ativa fornecida pelos geradores do sistema e a potncia ativa solicitada pelas cargas. Foi mencionado que os sistemas de energia eltrica possuem a caracterstica de atingir o estado de equilbrio carga-gerao por conta prpria, porm, desta forma, a freqncia varia livremente ficando fora de limites aceitveis para a operao do sistema. Para resolver o problema foi implementada a regulao primria no sistema, permitindo a distribuio da variao da carga entre as vrias mquinas do sistema, alem de corrigir o desvio da freqncia provocado pela variao da carga. Este controle mostrou-se ineficiente, apesar de controlar parcialmente o desvio de freqncia. O mesmo no conseguiu levar a freqncia do sistema de volta ao seu valor nominal, pois possui um erro em regime permanente.

A fim de corrigir o problema do desvio da freqncia no regime permanente, a regulao secundria ou (CAG) foi implementada atravs de um controlador do tipo proporcional integral, o que permite um maior grau de liberdade alem de melhor a resposta transitria do sistema.

Atravs das simulaes realizadas foi possvel confirmar a validade dos modelos propostos, tanto no Sistema de 16 barras (SIS16B) como no Sistema de 1005 barras (BRASIL1005B). Tambm foi possvel verificar a estreita relao entre os parmetros do controle e o seu desempenho.

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Como foi visto em ambos sistemas o bom desempenho do Controle Automtico da Gerao (CAG), depender no somente da capacidade de gerao de cada rea de controle como tambm da robustez dos troncos de transmisso que interligam estas reas de controle. No Sistema de 16 barras (SIS16B), foi simulado um caso extremo da perda da interligao entre as reas de controle, este tipo de contingncias mltiplas muito difcil de ocorrer, entretanto esta contingncia foi simulada com o objetivo de verificar o desempenho do controle para este tipo de situao. J no Sistema de 1005 barras (BRASIL1005B) esta possibilidade no foi considerada devido grande quantidade de linhas interligando os dois subsistemas, somente foi simulada a perda de parte da interligao entre as reas de controle.

6.2 Trabalhos futuros

Com o objetivo de dar continuidade ao trabalho apresentado aqui, algumas sugestes so apresentadas a seguir:

Sintonia dos parmetros de controle, visando melhorar o

Documents

Implementação Computacional Do Controle Automático Da Geração Em Sistemas de Potência Na Ferramenta Simulight