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SISTEMAS ELÉTRICOS DE POTÊNCIA Prof. Odilon Luís Tortelli Departamento de Engenharia Elétrica Universidade Federal do Paraná Curitiba, Brazil 1 November 8 - 12, 2009

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SISTEMAS ELÉTRICOS DE POTÊNCIA

Prof. Odilon Luís TortelliDepartamento de Engenharia Elétrica

Universidade Federal do Paraná

Curitiba, Brazil 1November 8 - 12, 2009

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➢ INTRODUÇÃO➢ HISTÓRICO➢ ESTRUTURA➢ O SISTEMA BRASILEIRO➢ O FUTURO

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SISTEMAS ELÉTRICOS DE POTÊNCIA

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INTRODUÇÃO

✔ Qualidade de Vida e Desenvolvimento Econômico✔ Forma dominante de energia para produção de bens e serviços,

telecomunicações e tecnologia da informação.

Energia Elétrica

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HISTÓRICO – Século XIX1831 – Indução eletro-magnética – Michael FARADAY

1867 – Dínamo – Werner von SIEMENS

1879 – Iluminação elétrica da Estação Central do Brasil

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1883 – Primeiras Usinas brasileiras

Termoelétrica em Campos-RJ – 52kW (39 lâmpadas)

Hidroelétrica em Diamantina-MG – mineração

1881 – Transformador – GAULARD-GIBBS

1882 - Primeiro “Sistema” de Distribuição de energia elétrica

Thomas EDISON - Nova York – Pearl Street (540 kW – 110 Vcc)

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1886 – Primeiro Sistema CA – William STANLEY e Franklin POPE – George WESTINGHOUSE - Great Barrington-MA (500V – 3kV – 100V)

Problemas: medidor AC, motor AC e segurança

1888 – CAMPO GIRANTE - NIKOLA TESLA

1889 – Primeira “grande” hidrelétrica brasileira Marmelos - Juiz de Fora-MG – 250kW – 1kV (monofásica)

1891 – Primeiro sistema trifásico – Alemanha - 135km

1892 – Motor de indução (AC) – Nikola TESLA

1895 - Entra em operação Complexo de Niagara Falls (20MW/30km) Westinghouse – Vitória do Sistema AC

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1897 – Descoberta do elétron – John THOMSON

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1920 – Primeiras interconexões regionais nos EUA

1948 – Criação da CHESF – UHE Paulo Afonso

1954 – Primeira LT HVDC – Suécia (100kV – 100km)

1957 – Primeira Usina Nuclear - Shippingport, PA – WESTINGHOUSE

1965 – Grande Blecaute nos EUA

Década de 1970 – Crise do petróleo – Energias alternativas

1975 – Início da construção de UHE Itaipu

1976 – Início da contrução da UHE de Tucuruí

1982 – Angra I entra em operação

1993 – Início da construção de Tres Gargantas (China)

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O SEP MODERNO - ESTRUTURA

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SISTEMA ELÉTRICO DE POTÊNCIA (SEP): Conjunto de equipamentos que operam de maneira

coordenada com a finalidade de fornecer energia elétrica aos consumidores, dentro de certos padrões de qualidade (confiabilidade, disponibilidade), segurança e custos, com o mínimo impacto ambiental.

G

G

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Características peculiares do Setor Elétrico:

• Energia elétrica não é estocável → Geração = Consumo

• Variação aleatória na demanda (e eventualmente na geração)

• Restrições físicas para operação confiável e segura

• Tempo elevado de obras (usinas/LTs) → Planejamento da Expansão

• Dimensionamento pelo pico de consumo → Subutilização do sistema

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SISTEMA DE GERAÇÃOUsina Geradora e Subestação Elevadora

Formas de geração de energia elétrica

FóssilNuclear

BiomassaSolar

HidroEólica

Térmica Mecânica Elétrica

Solar(PV)

Conversão de energia

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Geração Convencional:

PM PEÁgua

Vapor

Gás

TURBINA GERADOR

Gerador (Máqina Síncrona)

HIDRELÉTRICASRotor Pólos Salientes

n↓ p↑Itaipu (60Hz): 92,3 rpm – 78 pólos

TERMELÉTRICASRotor Pólos Lisos

n↑ p↓Turbina a gás: 1800 rpm – 4 pólos

n.p=120.f

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Características● Alto custo de construção x Baixo custo de operação ●

● Distantes da carga: condições de vazão e queda ●

● Aleatoriedade do combustível●

● Com reservatório x Fio d’água

USINAS HIDRELÉTRICAS

Restrições Operativas● Vazão máxima turbinável●

● Vazão mínima defluente●

● Volumes máximos e mínimos operativos de reservatórios●

● Uso múltiplo da água: navegação, irrigação, saneamento...

QDEF

QTURBQVERT

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Características● Custo de construção menor x Alto custo operativo ●

● Construção mais próxima dos centros de consumo●

● Combustível determinístico (suprimento assegurado)

USINAS TERMELÉTRICAS

Restrições Operativas● Geração mínima: - suprimento de combustível (contratos, funcionamento de minas, etc) - manter equipamentos em condições adequadas● Tomada e redução de geração - nucleares operação contínua - turbinas aero-derivadas partida rápida - turbinas convencionais e cogeração partida lenta

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Geração Não-Convencional:

PM PE

Vento TURBINA GERADORCONVERSORELETRÔNICO

INVERSORPLACA PV

PE

Sol

Eólica

Solar

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SISTEMA DE TRANSMISSÃOLinhas de Transmissão, Transformadores e Compensadores

Linhas de Transmissão: CA CC (HVDC): “ponto a ponto” - viável acima de 500km

Compensadores: mecânicos: Compensador Síncrono estáticos: Capacitores, Reatores, FACTS

interliga unidades de Geração com Subestações de Distribuição interliga Sub-sistemas estrutura em anel (flexibilidade e redundância) tensões típicas: 230kV, 345kV, 440kV, 500kV, 765kV sub-transmissão: 69kV e 138kV

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SISTEMA DE DISTRIBUIÇÃOLinhas de Distribuição, Transformadores e Compensadores

Rede Primária: Interliga subestação aos transformadores de distribuição Atende grandes consumidores em AT (até 230kV) e MT (até 69kV)

Rede Secundária: Atende os consumidores em BT (127/220V ou 220/380V)

Rede Secundária

Rede Primária

Sistema de Distribuição

Sistema deTransmissão

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SISTEMA DE AQUISIÇÃO DE DADOS e CONTROLE (SCADA)

Monitoramento do estado do sistema elétrico

Ações de operação e controle

Rede elétrica(G, T, D)

UTR

UTR

UTR

Sistema de comunicação de dados Centro de operação

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O SEP BRASILEIRO

Curitiba, Brazil November 8 - 12, 2009 20

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EVOLUÇÃO HISTÓRICA DO SETOR ELÉTRICO BRASILEIRO

Até 1900 : Várias pequenas usinas privadas, totalizando pouco mais de 10MW de capacidade instalada, sendo 53% de origem hidráulica.

1900-1930 Expansão urbana (SP e RJ); Entrada de Empresas estrangeiras (Light e Amforp);Usina de Fontes Velha-RJ (1909) – Light – 24 MW (20% da cap. instalada)Crescente participação na industria (50% da energia em 1920)Crise de 1929;

1930-1950Ampliação do papel do Estado: regulação e investimentosCódigo das Águas (1934) - concessões de serviços públicosCHESF (1945)Criação de Empresas estaduais e federais de energia elétricaPlano Nacional de Eletrificação (1946)

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1950-1990 – Grande aumento da capacidadeCriação do BNDE (1952)Eletrobras (1961)Hidrelétrica de FURNAS (1963) – Início das interligações regionaisCriação do DNAEE (1968) Nacionalização de empresas estrangeirasGCOIs (1973) Itaipu (1975)Angra I (1985)

A partir de 1990 – Abertura do mercado e DesregulamentaçãoPrograma Nacional de Desestatização (1990) – PrizatizaçõesMercado competitivo – Lei 9074 (1995)ANEEL (1996)MAE e ONS(1998)Programa Prioritário de Termelétricas (2000) – gás naturalCrise energética (2001)2004 – Novo Modelo do Setor – EPE, CCEE

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Evolução da Capacidade Instalada de Geração do Sistema Elétrico Brasileiro (dados ANEEL-EPE)

1920 1940 1960 1980 20000

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130

140

105,7

134,7G

W

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Características do Sistema Elétrico Brasileiro

• predominantemente hidrelétrico;

• grandes distâncias entre fontes geradoras e centros consumidores;

• vários potenciais de aproveitamentos nos mesmos rios;

• regimes hidrológicos e pluviométricos diversos;

• grande potencial hidrelétrico a ser explorado.

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O SISTEMA INTERLIGADO NACIONAL (SIN)

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4.000 km4.000 km

O SISTEMA INTERLIGADO NACIONAL (SIN)

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O SISTEMA INTERLIGADO NACIONAL (SIN)

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O SISTEMA INTERLIGADO NACIONAL (SIN)

Atende 97% do consumo

Rede Básica (≥ 230kV): + 90mil km de LTs

Capacidade Instalada (Dez/2008) 89 GW (acima de 30MW)

Mais de 1500 U.G.

Demanda Instantânea Máxima 65.586 MW (set/2008)

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Estrutura da Capacidade de Geração de Energia Elétrica

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Noruega BRASIL Venzuela Canadá Suécia Russia India China Japão EUA Mundo0

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China BRASIL Canadá EUA Russia Noruega India Venzuela Japão Suécia0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

TW

h

Dados: IEA–BP, 2008

Produção de energia hidrelétrica

Participação da hidreletricidade

Hidreletricidade no mundo e participação brasileira

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N NE CO SE S0

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30

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50

60

70

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90

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120

GW

Potencial hidrelétrico estimado dados: ANEEL

Área alagada: ≈ 30.000km2

(0,35 % do território nacional)

Distribuição Geográfica das UHE

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Consumo de Energia Elétrica

Por Fonte

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Consumo de Energia Elétrica

Por Sub-sistema

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Consumo de Energia Elétrica

Por Classe

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HORÁRIO DE VERÃO

Motivação principal: Redução da demanda no horário de ponta

BENEFÍCIOS (2008-2009)

NA PONTASistema SE/COA redução de 1520 MW (dobro da carga de Brasília no horário de ponta).

Sistema SULA redução de 470 MW (dobro carga da cidade de Joinville no horário de ponta)

NA ENERGIASistema SE/CORedução de 167 MWmed ( 30% do consumo médio de Brasília).

Sintema SULRedução de 47 MWmed (20% do consumo médio de de Joinville).

operação mais segura ecom menor custo (térmica evitada)

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O FUTURO DO SEP

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O FUTURO DO SETOR ELÉTRICO

Integração de Sistemas

Fontes Alternativas

Geração Distribuida

F A C T S

MediçãoInteligente

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O FUTURO DO SETOR ELÉTRICO

Integração de Sistemas

Fontes Alternativas

Geração Distribuida

F A C T S

MediçãoInteligente

➔ Uso racional dos recursos energéticos

➔ Otimização da infraestrutura elétrica

➔ Diversificação da matriz energética

➔ Aproveitamento da diversidade de clima e de fontes energéticas da região➔ Aumento da confiabilidade e da segurança do suprimento

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Capacidade Hidreletrica na America do Sul (em MW) e % de aproveitamento

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O FUTURO DO SETOR ELÉTRICO

Integração de Sistemas

Fontes Alternativas

Geração Distribuida

F A C T S

MediçãoInteligente

➔ Pequena potência

➔ Conectada a Rede de Distribuição

➔ Sem controle centralizado

➔ Próxima do ponto de consumo

➔ Utiliza recursos renováveis

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O FUTURO DO SETOR ELÉTRICO

Integração de Sistemas

Fontes Alternativas

Geração Distribuida

F A C T S

MediçãoInteligente

➔ Redução da dependência de combustiveis fósseis

➔ Novas fontes de energia

➔ Redução do impacto ambiental

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O FUTURO DO SETOR ELÉTRICO

Integração de Sistemas

Fontes Alternativas

Geração Distribuida

F A C T S

MediçãoInteligente

Flexible AC Transmission SystemsControladores Eletrônicos ligados ao lado de alta tensão da rede

➔ Controle de diversos parâmetros da rede elétrica (tensão, fluxos...)

➔ Aumento da capacidade de transmissão

➔ Melhora estabilidade do sistema

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O FUTURO DO SETOR ELÉTRICO

Integração de Sistemas

Fontes Alternativas

Geração Distribuida

F A C T S

MediçãoInteligente

Medição eletrônica de energia (IMD, IED):➔ Maior interação entre distribuidora e consumidor➔ Maior rapidez e agilidade na correção de disturbios

Medição Fasorial (PMU)➔ Monitoramento apurado do estado de operação do SEP➔ Localização de faltas

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O FUTURO DO SETOR ELÉTRICO

Integração de Sistemas

Fontes Alternativas

Geração Distribuida

F A C T S

MediçãoInteligente

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O FUTURO DO SETOR ELÉTRICO

Integração de Sistemas

Fontes Alternativas

Geração Distribuida

F A C T S

MediçãoInteligente

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O FUTURO DO SETOR ELÉTRICO

Integração de Sistemas

Fontes Alternativas

Geração Distribuida

F A C T S

MediçãoInteligente

S m a r t G r i d

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O FUTURO DO SETOR ELÉTRICO

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O FUTURO DO SETOR ELÉTRICO

MUITAS OPORTUNIDADES !

Rápida e contínua evolução

nas próximas décadas

M u i t o s D e s a f i o s

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