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UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ CENTRO DE TECNOLOGIA

GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA

SIMULAÇÃO DA PROTEÇÃO DE AEROGERADOR SOB REGIME DE AFUNDAMENTO DE TENSÃO COM A

FERRAMENTA COMPUTACIONAL PSCAD

RAFAEL JOCA CARDOSO

Fortaleza Dezembro de 2010

ii

RAFAEL JOCA CARDOSO

SIMULAÇÃO DA PROTEÇÃO DE AEROGERADOR SOB REGIME DE AFUNDAMENTO DE TENSÃO COM A

FERRAMENTA COMPUTACIONAL PSCAD

Monografia apresentada à Universidade Federal do Ceará

como parte dos requisitos para obtenção do Diploma de

Graduação em Engenharia Elétrica.

Orientadora: Profª. Ruth Pastora Saraiva Leão, PhD

Fortaleza Dezembro de 2010

iv

“A maior batalha que eu travo é contra mim mesmo”

(Napoleão Bonaparte)

v

À Deus, Aos meus pais, Mônica e Isac,

Aos meus irmãos Priscylla, Angele, Victor e Albert A todos os familiares, amigos e a minha linda noiva Cristina.

vi

AGRADECIMENTOS

Primeiramente a Deus, pela chama da vida, pela saúde e por prover tudo que preciso,

que um dia eu alcance a capacidade de honrá-lo como toda a glória que Ele merece.

À professora Ruth Pastôra Saraiva Leão, pela sua orientação, paciência, amizade e

disponibilidade durante o tempo que precisei.

À empresa COELCE, em especial a todos os profissionais da Área de Normas e

Procedimentos, pela oportunidade de estágio e aprendizado e que em nenhum momento

negaram atenção ou conhecimento.

Aos professores do Departamento de Engenharia Elétrica da UFC, responsáveis

diretamente ou indiretamente pelo meu aprendizado e Graduação em Engenharia Elétrica, em

especial àqueles que de alguma maneira me fizeram enxergar que a engenharia, além de

precisão técnica é uma arte com a função de causar o avanço em vários aspectos da sociedade.

A todos os meus amigos, em especial Luiz, Yuri, Hermann, Lutiano, Franjac, Daniel,

Patrick, João Victor, Germano, Gilberto, Roberta, Bia, Mazé e vários outros e outras que

mesmo não citados fazem parte das minhas motivações nas minhas conquistas. Pelas

conversas bobas e pelas construtivas. Pelos momentos de apoio, ainda que de forma discreta e

acanhada, sempre sabemos quando acontece.

À minha família, meu sobrinho Téo, a criança mais fabulosa desse mundo, minha irmã

Priscylla, mulher forte e exemplar, meu cunhado Cristiano por todas as orientações e

conversas de assuntos afins. À minha avó Nair por todo o apoio e sabedoria transmitida. Ao

meu pai e toda a minha família do outro continente que estão muito mais presentes do que

imaginam, que um dia eu possa compartilhar todas as felicidades com eles.

À minha noiva Cristina, mulher a quem sou apaixonado, que é doce e companheira,

minha melhor amiga e cúmplice, minha companheira de aventuras e minha princesa. À minha

mãe Mônica que realizou muitos sacrifícios pela construção de quem eu sou hoje, a mulher

mais divertida que conheço e que merece todo o meu respeito e amizade.

vii

Cardoso, R. J, “Simulação da Proteção de Aerogerador sob Regime de Afundamento de Tensão com a Ferramenta Computacional PSCAD”, Universidade Federal do Ceará – UFC, 2010, 65p.

Esta monografia apresenta a simulação de um aerogerador com máquina de indução de dupla alimentação, conectado a uma rede elétrica. A simulação foi realizada através do programa PSCAD/EMTDC que dispõe de uma biblioteca necessária para representação e controle de aerogeradores conectados à rede através de conversores de potência. Com o crescimento da geração eolielétrica, os operadores de sistemas elétrico, em países com participação da geração eólica como Alemanha, Dinamarca, Portugal e Brasil, definiram requisitos mínimos de suportabilidade de tensão dos aerogeradores durante condição de falta na rede elétrica. As faltas elétricas causam afundamento de tensão e os produtores de energia para proteger os conversores de potência desligavam o aerogerador em condição de falta na rede. O objetivo deste trabalho é implementar uma lógica de controle no relé de subtensão na barra de conexão de um aerogerador segundo o perfil da curva de tensão x tempo mínima que o aerogerador deve suportar sem desconectar da rede. A curva implementada, conhecida como LVRT, do inglês Low Voltage Ride-Through, é a definida nos Procedimentos de Rede da ANEEL – Agência Nacional de Energia Elétrica. São apresentados os resultados obtidos pelas simulações, as curvas de tensão e o sinal lógico que mostra a atuação da proteção do sistema eólico estudado.

Palavras-Chave: Geração Distribuída, Afundamento de Tensão, PSCAD, Simulação.

viii

Cardoso, R. J, “Simulation of Wind Turbine Protection Scheme under Voltage Sag with a Tool PSCAD”, Federal University of Ceará – UFC, 2010, 65p. This work presents a simulation of a wind turbine induction machine with double-feed, connected to an electricity grid. The simulation was performed using the program PSCAD / EMTDC which has a library needed for representation and control of wind turbines connected to the grid through power converters. With the growing generation eolielétric, operators of electric systems in countries with participation of wind generation as Germany, Denmark, Portugal and Brazil, have established minimum withstand voltage of the wind turbines during fault condition in the grid. The electrical faults cause voltage sags and power producers to protect the power converters in wind turbine cut off the fault condition on the network. The objective is to implement a control logic in the relay undervoltage in bar connecting a wind turbine according to the curves and minimum voltage vs. time that the wind turbine must withstand without disconnecting from the network. The curve implemented, known as LVRT, English Low Voltage Ride-Through, is defined in the Grid Procedures ANEEL - National Electric Energy Agency. Presents the results obtained by the simulations, the curves of tension and the logic signal that shows the protection operation of the wind system studied.

Keywords: Distributed Generation, Voltage Sag, PSCAD, Simulation.

SUMÁRIO

ix

SUMÁRIO LISTA DE FIGURAS ...............................................................................................................xi

SIMBOLOGIA ........................................................................................................................xiv

CAPÍTULO 1

INTRODUÇÃO..........................................................................................................................1

1.1 GERAÇÃO DISTRIBUÍDA ......................................................................................4

1.2 O SOFTWARE DE SIMULAÇÃO PSCAD ...............................................................4

1.3 MOTIVAÇÃO E OBJETIVO DO TRABALHO.......................................................5

1.4 ESTRUTURA DO TRABALHO ...............................................................................6

CAPÍTULO 2

SOFTWARES PARA SIMULAÇÃO DE SISTEMAS ELÉTRICOS DE POTÊNCIA............8

2.1 INTRODUÇÃO..........................................................................................................8

2.2 ELEMENTOS DO SEP (MODELO DO GERADOR)..............................................8

2.3 PROGRAMAS DO MERCADO .............................................................................10

2.3.1 ATP (ELETROMAGNETIC TRANSIENTS PROGRAM) ............................10

2.3.2 MATLAB .........................................................................................................11

2.3.3 ANAREDE .......................................................................................................12

2.3.4 PSCAD .............................................................................................................13

2.3.4.1 EXEMPLOS DE SIMULAÇÃO NO PSCAD.....................................15

2.4 CONCLUSÃO..........................................................................................................20

CAPÍTULO 3

REQUISITOS PARA SUPORTABILIDADE DE AFUNDAMENTO DE TENSÃO............21

3.1 INTRODUÇÃO........................................................................................................21

3.2 MOTIVAÇÃO..........................................................................................................21

3.3 SISTEMA ELÉTRICO E PROCEDIMENTO DE REDE NA ALEMANHA.........23

3.4 SISTEMA ELÉTRICO E PROCEDIMENTO DE REDE EM PORTUGAL..........27

3.5 SISTEMA ELÉTRICO E PROCEDIMENTO DE REDE NA DINAMARCA.......31

3.6 SISTEMA ELÉTRICO E PROCEDIMENTO DE REDE NO BRASIL .................34

3.7 CONCLUSÃO..........................................................................................................40

CAPÍTULO 4

ESTUDO DE CASO DE CURVA DE AFUNDAMENTO DE TENSÃO COM APLICAÇÃO

NO PSCAD ..............................................................................................................................41

4.1 INTRODUÇÃO........................................................................................................41

SUMÁRIO

x

4.2 MODELAGEM NO PSCAD ...................................................................................41

4.2.1 TURBINA EÓLICA.........................................................................................42

4.2.2 ROTOR BOBINADO DA MÁQUINA DE INDUÇÃO..................................43

4.2.3 CONVERSORES E CONTROLES DA REDE E DO GERADOR ................43

4.2.4 DISJUNTOR ....................................................................................................44

4.2.5 TRANSFORMADOR ......................................................................................45

4.2.6 GRÁFICO.........................................................................................................45

4.2.7 CANAL DE SAÍDA.........................................................................................46

4.2.8 MULTÍMETRO ...............................................................................................46

4.2.9 FONTE DE TENSÃO TRIFÁSICA ................................................................47

4.2.10 CURTO-CIRCUITO TEMPORÁRIO .............................................................48

4.2.11 RELÉ DE ACIONAMENTO DO DISJUNTOR .............................................49

4.3 CONSIDERAÇÕES DA IMPLEMENTAÇÃO DO SISTEMA NO PSCAD .........50

4.4 SIMULAÇÃO DE AFUNDAMENTO DE TENSÃO NO AEROGERADOR .......54

4.4.1 SITUAÇÃO 1: FALTA DE BAIXA INTENSIDADE COM DURAÇÃO DE

0,5 SEGUNDO .................................................................................................................55

4.4.2 SITUAÇÃO 2: FALTA DE MÉDIA INTENSIDADE COM DURAÇÃO DE 2

SEGUNDOS.....................................................................................................................57

4.4.3 SITUAÇÃO 3: FALTA DE GRANDE INTENSIDADE COM DURAÇÃO DE

0,5 SEGUNDO .................................................................................................................58

4.4.4 SITUAÇÃO 4: FALTA DE GRANDE INTENSIDADE COM DURAÇÃO DE

2 SEGUNDOS..................................................................................................................59

4.5 CONCLUSÃO..........................................................................................................61

CAPÍTULO 5

CONCLUSÃO E DESENVOLVIMENTO FUTURO.............................................................63

5.1 CONCLUSÃO..........................................................................................................63

5.2 DESENVOLVIMENTO FUTURO..........................................................................64

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .....................................................................................65

LISTA DE FIGURAS

xi

LISTA DE FIGURAS

Figura 1.1 – Estrutura de um motor a vapor...............................................................................1

Figura 1.2 – Configuração básica da rede elétrica......................................................................3

Figura 1.3 – Gráfico da distribuição de ventos no Brasil [Fonte: Centro Brasileiro de Energia

Eólica]. ...............................................................................................................................6

Figura 2.1 – Modelo real do gerador. .........................................................................................9

Figura 2.2 – Modelo ideal do gerador (resistência desprezada) .................................................9

Figura 2.3 – Diagrama de blocos no Simulink integrado ao Matlab [Fonte: mathworks.com]

..................................................................................................................................................11

Figura 2.4 – Sistema de barras representado no Anarede.........................................................12

Figura 2.5 – Bacia Hidrográfica do Rio Neslon, Canadá [Fonte:KMUSSER, wikipédia] ......13

Figura 2.6 – Composição básica do compensador síncrono estático [20] ...............................16

Figura 2.7 – Representação do sistema completo [20] .............................................................17

Figura 2.8 – Representação da recuperação da tensão do sistema no PSCAD ........................17

Figura 2.9 – Representação unifilar do sistema de Compensação [21] ....................................19

Figura 2.10 – Curvas de corrente e tensão de banco capacitivo no momento da falta trifásica

........... ......................................................................................................................................19

Figura 2.11 – Curva de corrente de banco capacitivo no momento de falta interna remota ....20

Figura 3.1 – Exemplo de curva Low Voltage Ride through.....................................................22

Figura 3.2 – Concessionárias de transmissão de energia na Alemanha [26]............................24

Figura 3.3 – Curva de Low Voltage Ride through do código de rede Alemão.........................25

Figura 3.4 – Tempos para desligamento do aerogerador em função da tensão e frequência da

rede ...........................................................................................................................................26

Figura 3.5 – Limites de tolerância de tensão para geração de reativos ....................................26

Figura 3.6 – Gráfico de capacidade acumulada para energia eólica em Portugal [28] ............28

Figura 3.7 – Regiões em Portugal com sua potência eólica instalada e em construção [28] ...29

Figura 3.8 – Curva de afundamento de tensão exigida em Portugal [26] ................................30

Figura 3.9 – Tempo aceito de variação de freqüência para a continuidade de geração de

parques eólicos na Dinamarca, tensão menor/igual a 100kV...................................................32

Figura 3.10 – Tempo aceito de variação de freqüência para a continuidade de geração de

parques eólicos na Dinamarca, tensão maior que 100kV [26] .................................................33

Figura 3.11 – Curva de suportabilidade a queda de tensão em usinas eólicas conectadas a

tensão abaixo de 100 kV...........................................................................................................33

LISTA DE FIGURAS

xii

Figura 3.12 – Curva de suportabilidade a queda de tensão em usinas eólicas conectadas a

tensão acima de 100 kV............................................................................................................34

Figura 3.13 – Sistema Interligado Nacional do Brasil [Fonte: www.ons.org.br].....................35

Figura 3.14 – Diagrama de instituições do setor energético brasileiro [Fonte:

http://www.ccee.org.br]............................................................................................................36

Figura 3.15 – Potência hidrelétrica instalada e sua participação na geração de energia no

Brasil.........................................................................................................................................37

Figura 3.16 – Curva de suportabilidade a afundamento de tensão definida pelo ONS [22] ....39

Figura 4.1 – Tela inicial do PSCAD com biblioteca principal (library master) em destaque ..42

Figura 4.2 – Bloco correspondente à turbina eólica .................................................................42

Figura 4.3 – Bloco correspondente ao rotor da máquina de indução .......................................43

Figura 4.4 – Bloco correspondente aos conversores do lado da rede e do gerador..................44

Figura 4.5 – Bloco correspondente ao disjuntor.......................................................................44

Figura 4.6 – Bloco correspondente ao transformador ..............................................................45

Figura 4.7 – Janela de amostra de gráfico ................................................................................46

Figura 4.8 – Bloco correspondente ao canal de saída...............................................................46

Figura 4.9 – Bloco correspondente ao multímetro ..................................................................47

Figura 4.10 – Bloco correspondente à fonte de tensão............................................................47

Figura 4.11 – Bloco correspondente à falta (curto-circuito)....................................................48

Figura 4.12 – Bloco correspondente ao tempo de duração da falta.........................................48

Figura 4.13 – Conjunto de blocos correspondente ao relé de acionamento do disjuntor ........49

Figura 4.14 – Chave USB para uso do PSCAD ......................................................................50

Figura 4.15 – Arquivo original disponibilizado pelo PSCAD [https://pscad.com/products

/pscad/free_downloads/]...........................................................................................................51

Figura 4.16 – Curva de afundamento de tensão a ser reproduzida no PSCAD.......................52

Figura 4.17 – Bloco “File Read” e sua saída...........................................................................52

Figura 4.18 – Módulos utilizados do arquivo do sistema simulado LVRT_ORIN2...............53

Figura 4.19 – Circuito responsável pela ocorrência do curto-ciruito ......................................55

Figura 4.20 – Curva de tensão eficaz e LVRT na situação 1 ..................................................56

Figura 4.21 – Sinal de BRK em nível 0 durante situação de falta...........................................56


Figura 4.23 – Nível lógico do BRK em 1 quando condição LVRT não é satisfeita na situação

2 ................................................................................................................................................57


LISTA DE FIGURAS

xiii


3 ................................................................................................................................................59



4 ................................................................................................................................................61

SIMBOLOGIA

xiv

SIMBOLOGIA

Símbolo Significado

DP Potência Dissipada

R Resistência

I Corrente

U Tensão nos terminais da máquina

E Força Eletromotriz

UN Tensão Nominal

UL Limite Mínimo De Tensão

ULF Limite Mínimo De Tensão Em Plena Carga

UH Limite Máximo De Tensão

UHF Limite Máximo De Tensão Em Plena Carga

Tm Torque Mecânico

Pm Potência Mecânica Cp Coeficiente de Potência ρ Densidade do Ar

A Área do Rotor

wV Velocidade do Vento

mW Velocidade Angular

BRK Sinal de Trip Enviado ao Disjuntor

LVRT Sinal Construído de Suportabilidade de Afundamento de Tensão

Vrms_pu Sinal de Tensão Eficaz Por Unidade

Acrônimos e Abreviaturas:

Símbolo Significado ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica PSCAD Power Systems Computer Aided Design EMTDC Electromagnetic Transients including LVRT Low Voltage Ride Through EUA Estados Unidos da América

FACTS Flexible Alternating Current Transmission System

SIMBOLOGIA

xv

Símbolo Significado HVDC High Voltage Direct Current EMTP Electromagnetic Transients Program

CLAUE Comitê Latino Americano de Usuários do EMTP MATLAB Matrix Laboratory

GD Geração Distribuída ONS Operador Nacional do Sistema

PROREDE Procedimentos de Rede PRODIST Procedimentos de Distribuição

CEPEL Centro de Pesquisas em Energia Elétrica EPE Empresa de Pesquisa Eneregética

ANAREDE Programa de Análise de Redes SIN Sistema Interligado Internacional

CHESF Companhia Hidro Elétrica do São Francisco

STATCOM Static Synchronous Compensator UPE Universidade de Pernambuco IEC International Electrotechnical Commission EDP Energias de Portugal

OMEL Operador Del Mercado Electrico OMIP Operador do Mercado Ibérico de Energia RNT Rede Nacional de Telecomunicações

CNPE Conselho Nacional de Política Energética MME Ministério de Minas e Energia CMSE Comitê de Monitoramento do Setor Elétrico CCEE Câmara de Comercialização de Energia Elétrica

PROINFA Programa de Incentivo às Fontes Alternativas de Energia Elétrica PCH Pequena Central Hidrelétrica DFIG Doubly-fed induction generator PCC Ponto de Conexão Comum

Introdução

1

CAPÍTULO 1

INTRODUÇÃO

A história da energia elétrica tem um começo recente se comparado à história da huma-

nidade. Mas, ainda assim é possível perceber seu papel fundamental na transformação dos

nossos hábitos e estilo de vida. Pode se dizer que descoberta e desenvolvimento da eletricida-

de está atrelada à revolução industrial do século XVIII, a partir da qual uma série de mudan-

ças tecnológicas resultou em grande impacto no processo produtivo da sociedade européia

[34].

Neste contexto, o trabalho das máquinas começou a substituir o trabalho humano. Má-

quinas essas que necessitam de energia para seu funcionamento. As primeiras máquinas foram

máquinas à vapor, onde a energia para rotação era extraída do vapor de água sobre alta pres-

são e alta temperatura, e seu princípio de funcionamento se baseava no movimento de um pis-

tão, entrada de vapor sob alta pressão e saída de vapor d’água (Figura 1.1).

Figura 1.1 – Estrutura de um motor a vapor [3].

Em 1886 o cientista alemão Werner von Siemens desenvolve o gerador de corrente con-

tínua auto-induzido, podendo ser considerado desde então, o surgimento da máquina elétrica.

A partir daí o desenvolvimento das máquinas elétricas se deu em ritmo frenético. Estas po-

dendo ser usadas como geradores ou motores. Os geradores são utilizados na conversão de

energia mecânica, química ou de outro tipo em energia elétrica, e o motor transformando e-

nergia elétrica em energia útil. Tanto o gerador quanto o motor tiveram importante papel na

Introdução

2

realidade de cadeia produtiva, fábricas e produção em massa causada pela revolução industrial

[34].

No final do século XIX surgem nos EUA as primeiras empresas distribuidoras de ener-

gia elétrica. A primeira pertencente a Thomas Edison que defendia o uso de corrente contínua

na distribuição de energia elétrica. A segunda empresa, Westinghouse Electric Company, que

pertencia ao empresário George Westinghouse e que tinha como líder intelectual o engenheiro

Nikola Tesla, que ao invés de corrente contínua defendia o uso de corrente alternada para o

mesmo fim. No entanto, a transmissão por corrente contínua se mostrou em grande desvanta-

gem por ser um sistema de grande perda de potência, devido sua baixa tensão e alta corrente,

que pode ser mostrada na equação 1.1 [5]. 2.IRP = (1.1)

Altas correntes ocasionaram grandes perdas, ou seja, o sistema de Edison apresentava a

limitação da distância entre centrais geradoras e os clientes, devido à alta queda de tensão.

Outra dificuldade encontrada pelo sistema de corrente contínua era a conversão de ener-

gia, tendo em vista que esta necessitava de sistemas de conversores giratórios de grande ta-

manho, tornando a tarefa mais dispendiosa se comparada com o sistema de corrente alternada,

em que as bobinas de um transformador executariam a mesma conversão sem a necessidade

de partes móveis e com menor necessidade de manutenção.

Após o sucesso da geração de energia em corrente alternada, com a construção da hidre-

létrica Edward Dean Adams, na Nicarágua, houve o avanço progressivo do uso da corrente

alternada, estabelecendo assim a “vitória” da corrente alternada sobre a corrente contínua no

que foi popularmente conhecido como “a guerra das correntes” [5].

Atualmente existem poucas regiões no mundo onde o sistema em corrente contínua em

baixa tensão (< 1000 V) ainda é usado. Em 1998 a Consolidated Edison começa o processo de

eliminação do serviço em corrente contínua nos EUA e em 14 de novembro de 2007 foi desli-

gada a última transmissão em corrente contínua nos EUA [5].

Com o crescimento exponencial de aparelhos e dispositivos elétricos nas residências,

indústrias e comércios em todo mundo, o sistema elétrico assume um papel fundamental no

modo de vida da sociedade de todo o planeta. O sistema elétrico pode ser definido como um

sistema de energia alternada que engloba geração, transmissão e distribuição de energia elétri-

ca. Um sistema que nos últimos anos tem se tornado cada vez maior e mais complexo, com

sua operação, controle e proteção tornando-se cada vez mais difícil.

As empresas em todo o mundo, sejam estatais ou privadas, têm que investir cada vez

mais em qualificação de pessoal e equipamentos para assegurar um produto e um serviço com

Introdução

3

qualidade em meio a um ambiente competitivo onde a satisfação do consumidor e a eficiência

energética sejam alcançadas com viabilidade econômica.

Segundo estimativa da ANEEL (Agência Nacional de Energia Elétrica) o setor elétrico

brasileiro experimenta um crescimento médio de 4,5 % ao ano, sendo necessário investimen-

tos de aproximadamente R$ 6 a 7 bilhões/ano no mercado de energia elétrica.

O sistema elétrico de potência atual é uma rede física com predominância de poucas e

grandes centrais geradoras de energia que são responsáveis por produzir toda a energia de-

mandada. As usinas de geração são interligadas através de uma rede de transmissão e de dis-

tribuição que transporta energia até o usuário final. A figura 1.2 mostra a constituição básica

da rede elétrica no Brasil, que tem como principal fonte de geração de energia elétrica as usi-

nas hidrelétricas, compensando cerca de 72% da energia elétrica segundo a Aneel [33].

Figura 1.2 – Configuração básica da rede elétrica.

A crescente demanda de energia elétrica torna imperativa a necessidade de geração de

implementação de novas formas de geração de energia elétrica. As atuais fontes de energias

estarão comprometidas em alguns anos, seja por sua extinção, ou por limitação de seu uso. Há

ainda outra questão relacionada à geração de energia elétrica através de fontes exauríveis e

poluentes, qual seja a geração sustentável de energia por meio de energias renováveis, de ma-

neira a preservar o meio ambiente e respeitar os espaços que possuem algum tipo de função

social. Visando esses dois fatores foi repensada uma nova maneira de gerar mais energia elé-

trica sem comprometer os valores sócio-ambientais, dessa forma surge o conceito de geração

distribuída.

A geração distribuída oferece a possibilidade de uso de variadas fontes de energia, se-

jam elas renováveis ou não renováveis, embora o estado da arte aprecie o seu uso através de

Introdução

4

fontes denominadas renováveis, como por exemplo: Biomassa, eólica, solar, resíduos urbanos,

marés, geotérmica, hidrogênio, dentre outras que apresentem baixa agressão ao meio ambien-

te [8].

De qualquer forma existe a possibilidade do uso de combustíveis fósseis para a geração

distribuída, que seriam geradores usando como combustível o carvão, óleo combustível, die-

sel ou gás natural.

1.1 - GERAÇÃO DISTRIBUÍDA

A geração distribuída é uma proposta que vem sendo amplamente adotada em vários pa-

íses da União Européia, dentre eles Portugal, Alemanha, Dinamarca, Espanha. Pode se definir

geração distribuída como “a geração de energia (elétrica e/ou térmica) de forma descentrali-

zada, localizada próxima do usuário final, economizando os custos de transmissão e distribui-

ção e proporcionando uma solução energética economicamente otimizada para cada caso” [9].

De fato, a geração descentralizada esteve presente nos primeiros empreendimentos de

geração de energia elétrica no Brasil. Nos últimos anos, verifica-se o retorno da geração des-

centralizada, ou seja, geração distribuída com destaque do seguinte fenômeno ocorrido na dé-

cada de 90, a introdução da competição entre empresas privadas para concessão no serviço de

energia elétrica.

Outros fatores que contribuíram para o retorno da geração distribuída são: o desenvol-

vimento de tecnologias variadas para geração de energia elétrica, preço competitivo de plantas

de geração usando turbinas aeroderivadas tendo como combustível o gás natural, a necessida-

de de desenvolver geração com fontes de energias renováveis, a possibilidade de sua imple-

mentação em curto prazo, economizando com gastos de distribuição e transmissão.

No presente trabalho será usada uma usina eólica, sendo aplicado como uma planta de

geração distribuída.

1.2 - O SOFTWARE DE SIMULAÇÃO PSCAD

Com o decorrer do tempo a necessidade de simuladores mais precisos e reais motivou a

evolução de ferramentas para este fim, coincidindo com evolução da informática devido a ou-

tras necessidades. A partir daí se tornou possível uma maior interação com este tipo de estudo,

conferindo assim, um maior entendimento de fenômenos e conceitos físicos abstratos. Alian-

Introdução

5

do-se à necessidade de resolver problemas e recursos tecnológicos disponíveis surgem como

conseqüência os softwares para simulação.

O PSCAD parte da premissa universal dos aplicativos, “fazer a tarefa difícil facilmente,

se deve fazer as tarefas simples perfeitamente”. O PSCAD é um programa computacional que

permite projetar e analisar sistemas elétricos de potência em regime permanente e transitório

fornecendo resultados por meio de uma interface gráfica amigável. O PSCAD permite ainda,

análises na área de qualidade de energia, análises de curto-circuito e o planejamento energéti-

co através de fluxo de carga. Através deste simulador é possível fazer um estudo de um siste-

ma de potência específico e aprimorar esse sistema no que diz respeito a desempenho e confi-

abilidade [11].

Em relação a transitórios, o PSCAD pode ser aplicado para realizar análise dos seguin-

tes elementos de um sistema elétrico:

Linhas e cabos de energia;

Cargas industriais altamente não-lineares;

Acionamentos com eletrônica de potência;

Faltas assimétricas;

Geração de energia distribuída;

Máquinas rotativas;

Sistemas FACTS/HVDC [11];

Este documento irá descrever o uso do PSCAD analisando um curto-circuito em um sis-

tema com geração distribuída, representada por um aerogerador com máquina de indução de

dupla alimentação, e a proteção implementada na barra do aerogerador.

1.3 - MOTIVAÇÃO E OBJETIVO DO TRABALHO

A geração de energia através das fontes renováveis é uma forte tendência a qual o mun-

do se direciona. Dentre estas fontes, se destaca a energia através dos ventos, ou energia eólica.

Devido à sua forte característica como “energia limpa”, além da progressiva queda de preço, a

energia eólica vem tomando destaque no mundo, principalmente no Nordeste do Brasil, onde

as condições de vento são extremamente favoráveis, tanto com relação à rugosidade quanto às

velocidades dos ventos em si.

Introdução

6

Figura 1.3 – Gráfico da distribuição de ventos no Brasil [35].

A planta de geração eólica é inserida no sistema de energia elétrica como uma GD (ge-

ração distribuída), de maneira que mesmo gerando energia de forma independente, este siste-

ma está suscetível aos fenômenos elétricos comuns em sistemas elétricos de potência. Dentre

estes problemas, um deles é o afundamento de tensão, que consiste na queda brusca de tensão,

que no decorrer de pouco tempo retorna ao seu valor nominal.

Este trabalho tem por objetivo simular, através da ferramenta computacional PSCAD,

um aerogerador interligado à rede elétrica e o comportamento da proteção de subtensão no

ponto comum de conexão (PCC) do aerogerador com a rede. A proteção de subtensão deverá

atender aos requisitos estabelecidos pela Aneel nos Procedimentos de Rede de tensão x tempo

mínimo (curva LVRT) para operação do aerogerador mediante falta na rede elétrica e afun-

damento de tensão no PCC. O desenvolvimento de um sistema de potência virtual capaz de

esboçar com precisão as características reais da usina eólica, na ocorrência do afundamento de

tensão, é o objetivo principal deste trabalho.

1.4 - ESTRUTURA DO TRABALHO

O Capítulo 2 irá apresentar alguns dos programas de análise de sistemas de potência

mais populares, logo em seguida será introduzido o PSCAD com suas características. Será

descrito algumas aplicações gerais deste programa, bem como suas aplicações mais populares

e consistentes.

O Capítulo 3 será dedicado à curva low voltage ride-through. Serão comentadas as

normas de alguns países que tratam da queda tensão, abordando o gráfico de tensão versus

tempo chamado requisito de suportabilidade a queda de tensão, exigido em vários países. Esse

gráfico representa a exigência que os aerogeradores devem atender, permanecendo conectados

Introdução

7

à rede, mesmo quando houver uma queda brusca de tensão por um determinado espaço de in-

tervalo determinado por cada país através de sua legislação. Serão feitos breves descrições das

características dos sistemas elétricos dos países citados, de maneira a lançar o contexto no

qual a energia eólica se encontra em cada um.

O Capítulo 4 irá apresentar um estudo de caso que consistirá em um pequeno sistema de

potência que será formado pelo sistema representado por uma fonte de tensão, um alimenta-

dor, linha de transmissão e o gerador eólico. Neste capítulo será descrito as características

deste sistema hipotético e será descrito as etapas e resultados da simulação no PSCAD.

E por fim, no Capítulo 5 serão apresentadas as conclusões relativas às simulações se-

guidas de algumas sugestões para trabalhos futuros nesta linha de pesquisa.

Capítulo 2 – Softwares de Simulação para Sistemas Elétricos de Potência.

8

CAPÍTULO 2

SOFTWARES DE SIMULAÇÃO PARA SISTEMAS ELÉTRICOS DE POTÊNCIA

2.1 - INTRODUÇÂO

Este capítulo irá discorrer sobre os programas computacionais com a finalidade de si-

mular e estudar sistemas de potência. Serão citados os simuladores mais utilizados e serão

descritos algumas de suas características mais marcantes, de maneira a tornar claro as princi-

pais diferenças entre os programas disponíveis no mercado. Por fim, este capítulo irá apresen-

tar o programa PSCAD/EMTDC com suas funções e potencialidades, assim como alguns e-

xemplos de aplicação.

2.2 - ELEMENTOS DO SEP (MODELO DO GERADOR)

Os softwares para simulações têm grande importância, pois através dessas ferramentas é

possível ser feito um planejamento mais preciso analisar melhor o comportamento dos equi-

pamentos em momentos de faltas, dentre outras análises, e por conseqüência construir um sis-

tema com confiabilidade, qualidade, segurança e disponibilidade.

Na realização de uma simulação é de fundamental importância que os modelos utiliza-

dos sejam os mais exatos possíveis para aquele estudo específico, além da necessidade de re-

presentar com maior realismo algumas circunstâncias da vida prática. Outro importante fator

de uma simulação é escolher uma forma apropriada para a representação dos componentes

físicos, levando em conta o tipo de estudo. Portanto, é necessário atentar o nível de represen-

tação do programa utilizado na análise. Por exemplo, um gerador elétrico operando em regime

permanente é representado em seu modelo por uma força eletromotriz induzida E e uma im-

pedância Z de maneira que a tensão U em seus terminais é dada pela fórmula:

.U E Z i= − (2.1)

em que i é a corrente do gerador. Esse é o modelo normalmente utilizado para simulação de

um gerador. Entretanto, alguns programas podem representar o gerador na sua forma ideal,

com:

EU = (2.2)

Desta forma, os resultados da simulação podem ser comprometidos devido à representação

simplificada do gerador, que neste caso despreza a queda de tensão sobre Z. Quando o modelo


9

do gerador não é completo, o usuário do programa de simulação deve adicionar uma impe-

dância em série ao gerador, pois desta forma o gerador será representado por um modelo mais

próximo das condições reais de regime. Nas figuras 2.1 e 2.2 são apresentados os modelos de

geradores real e ideal, respectivamente.

Figura 2.1 – Modelo real do gerador em estado permanente.

Figura 2.2 – Modelo ideal do gerador (resistência desprezada).

Os resultados das simulações devem ser interpretados com cuidado. Nem sempre o

software utilizado apresenta em sua rotina, fluxo de controle em malha fechada, de forma que

não há indício de desvio de valores finais. Neste caso, cabe ao usuário conhecimento e bom

senso na avaliação dos resultados apresentados. A utilização da malha fechada ou feedback é

importante por que permite:

aumento da precisão do sistema;

rejeição do efeito de perturbações externas;

melhoria da dinâmica do sistema e, eventualmente, estabilização um sistema natural-

mente instável em malha aberta;

diminuição da sensibilidade do sistema a variações dos parâmetros do processo, ou se-

ja, torna o sistema robusto [14].


10

Outra consideração a ser observada é a utilização de métodos numéricos por parte do

simulador computacional. O método numérico a ser adotado é definido pela ordem da equa-

ção a ser resolvida, como possibilidades encontram-se:

Método de Euller (progressivo) – 1ª ordem;

Método de Euller (regressivo) – 2ª ordem;

Método de Newton-Raphson – 2ª ordem;

Método de Runge-Kutta – 4ª ordem [10];

Pode-se considerar que os resultados das simulações serão influenciados não somente

pelos parâmetros adotados para os equipamentos, mas principalmente pelo modelo que estes

serão representados e pelo método numérico escolhido para resolver as equações em questão.

2.3 - PROGRAMAS NO MERCADO

A seguir serão apresentados alguns programas utilizados para a simulação de sistemas

de potência, nos mais variados focos. Muitos deles têm sua aplicação direcionada para um

tipo de estudo específico, como estudo de curto-circuito, análise de freqüência, fluxo de po-

tência, dentre outros.

2.3.1 - ATP (ALTERNATIVE TRANSIENTS PROGRAM)

O ATP é uma versão para computador pessoal do programa de simulação EMTP (E-

lectromagnetic Transients Program), desenvolvido pelo alemão Herman W. Dommel em me-

ados dos anos 80 na cidade de Munique. Inicialmente o programa só permitia a modelagem de

circuitos monofásicos. Hermann Dommel trabalhou na empresa americana BPA (Bonneville

Power Administration) e logo em seguida foi para a Universidade de British Columbia no Ca-

nadá. Nessa passagem por essas instituições Dommel conseguiu desenvolver, juntamente com

vários colaboradores, o ATP em uma ferramenta robusta para simulação de fenômenos transi-

tórios.

Atualmente o ATP possui vários grupos de estudos espalhados no mundo, onde são

formados comitês que desenvolvem e distribuem o programa de uso público, tendo como e-

xemplo o CLAUE (Comitê Latino Americano de Usuários do EMTP). O simulador apresenta

grande flexibilidade e tem como missão a análise de transitórios nos sistemas de potência

[15]. Apesar de suas vantagens, o programa ATP utiliza-se de vários modelos para um mesmo


11

componente elétrico, além de necessitar de programação em linha de comando, características

que tornam a simulação neste software um tanto quanto exaustiva e complexa.

2.3.2 - MATLAB

O Matlab (Matrix Laboratory) foi um software desenvolvido especificamente para o

cálculo numérico e manipulação de matrizes. Possui linguagem computacional própria, cha-

mada de M-código ou simplesmente de M, sua característica fundamental é a construção de

gráficos e de processamento de sinais em um ambiente amigável, mesmo onde os problemas e

soluções são expressos por linguagem matemática. Seu primeiro uso foi na área de sistemas

de controle, mas com o tempo foi sendo aplicado em outras áreas que requerem análise numé-

rica em sua aplicação. É o caso dos sistemas de potência, que ao utilizarem modelos matemá-

ticos se encaixam nas possibilidades de simulação do Matlab.

Em sistemas de potência, as grandes contribuições do Matlab são nos estudos de estabi-

lidade e desempenho da rede. Através do simulink é possível montar um sistema inteiro grafi-

camente, restando o trabalho de incluir valores de componentes para esses blocos. Das possi-

bilidades de simulação de modelos estão incluídos vários tipos de casos, como:

Sistemas contínuos, discretos e híbridos;

Componentes lineares e não lineares;

Pode simular eventos assíncronos.

O ambiente gráfico Simulink é integrado de forma completa ao Matlab e às suas ferra-

mentas, como mostra a Figura 2.2 abaixo.

Figura 2.3 – Diagrama de blocos no Simulink

integrado ao Matlab[Fonte: mathworks.com].


12

O Matlab apresenta como desvantagens sua biblioteca no que diz respeito à representação de

componentes de sistemas de potência. Isso quer dizer que a maioria dos componentes deve ser

construída a partir de lógica de blocos, tomando grande parte de trabalho e tempo do usuário.

2.3.3 - ANAREDE

O Anarede é o programa computacional mais utilizado no Brasil no estudo do SEP (Sis-

tema Elétricos Potência) referente a análise de regime permanente. O programa foi desenvol-

vido pelo Centro de Pesquisas de Energia Elétrica (CEPEL) com a intenção de disponibilizar

para empresas do Setor Elétrico Brasileiro algoritmos e técnicas de estudo para as áreas de

planejamento e operação. O Anarede possui um ambiente gráfico e fornece a possibilidade

dos seguintes estudos [16]:

Fluxo de Potência;

Análise de Contingências;

Fluxo de Potência Continuado;

Fluxo e Análise de Segurança de Tensão.

É possível ainda escolher o cálculo de fluxo de potência através de 2 métodos:

Desacoplado Rápido;

Newton-Raphson.

Figura 2.4 – Sistema de barras representado no Anarede [37].


13

Atualmente o Anarede é usado por concessionárias de distribuição de energia, universidades,

ONS (Operador Nacional do Sistema Elétrico), EPE (Empresa de Pesquisa Energética),

ANEEL (Agência Nacional de Energia Elétrica), dentre outras instituições. Por ser direciona-

do para estudos de fluxo de potência, o Anarede é muito eficaz para análises de sistemas em

regimes permanentes e não adequado para estudos de transitórios, como no caso de um afun-

damento de tensão.

2.3.4 - PSCAD

O software PSCAD teve sua origem na necessidade de analisar o comportamento do sis-

tema elétrico instalada no rio Nelson localizado em Monitoba no Canadá. A bacia hidrográfi-

ca deste rio está mostrada na Figura 2.5. Este programa possui características como: flexibili-

dade, confiabilidade, precisão e facilidade de simulação, entre outros. No final da década de

1980, época de desenvolvimento do simulador, os recursos relativos à ambiente gráfico ainda

não se encontravam em estágio avançado como acontece atualmente. Ainda assim, o progra-

ma de simulação (futuro PSCAD) demonstrou respostas satisfatórias. Com o surgimento de

sistemas operacionais com ambientes gráficos aliados ao desenvolvimento de Hardware, o

simulador se consolidou no decorrer da década de 1990 [10].

Figura 2.5 – Bacia Hidrográfica do Rio Neslon, Canadá[10].


14

Apesar de atualmente o programa ser popularmente conhecido principalmente por PSCAD,

sua sigla oficial: PSCAD/EMTDC, faz mais justiça ao funcionamento básico deste, tendo em

vista que PSCAD diz respeito ao programa com relação ao ambiente visual, onde são gerados

gráficos e o programa pode ser manipulado através de blocos e símbolos representativos.

Quanto ao EMTDC, é o agente do programa responsável pela execução de rotinas para reso-

lução dos problemas algébricos. Através do módulo EMTDC são solucionadas equações dife-

renciais no domínio do tempo que é a forma de representação matemática dos sistemas ele-

tromagnéticos e eletromecânicos [10].

O simulador PSCAD (Power Systems Computer Aided Design) em sua primeira versão

surgiu em 1988 como um programa experimental e sem muita expressividade. Desenvolvido

pela Manitoba HVDC Research Centre, uma subsidiária da empresa canadense Manitoba Hy-

dro, este centro comercializa produtos e serviços para o mercado de energia elétrica. Além do

seu produto mais comercial o PSCAD/EMTDC, a empresa oferece treinamento, consultoria,

serviços em pesquisa, dentre outros [10].

Em 1994, o PSCAD versão 2 foi lançado em plataforma UNIX, possibilitando seu uso

no sistema operacional Windows. O PSCAD permitia, a partir de então, a manipulação de e-

quações diferenciais para sistemas eletromagnéticos. A ferramenta acrescentou o termo

EMTDC em sua marca, em que a sigla EMTDC (Electromagnetic Transients Including) passa

a idéia de “estudo de transientes eletromagnéticos” através de equações diferenciais.

A versão 3, lançada em 1999, trouxe a fantástica inovação de possibilidade da monta-

gem de sistemas através de diagramas de blocos, tendo cada bloco seus próprios dados, de

maneira que a simulação ocorre com maior precisão pela “interpretação modular” dos dados,

ou seja, o compilador lê dados mais organizados e individualizados, facilitando sua execução

e diminuindo a margem de erro na realização de sua tarefa. Por fim, a última versão chega ao

mercado, a versão 4, que representa uma evolução no que diz respeito a software de simula-

ção. A versão 4 mantém o forte potencial de simulação ao mesmo tempo que traz novidades

em relação a interface gráfica, trazendo maior dinamismo com a manipulação de janelas e

plotagem. Ainda traz a característica de compatibilidade com arquivos construídos na versão

3. A manipulação em tempo real é uma característica que reforça o bom uso do

PSCAD/EMTDC, com a possibilidade de visualizar os resultados e realizar mudanças nas va-

riáveis de controle de forma instantânea denota mais dinamismo ao usar este programa.

O PSCAD/EMTDC se diferencia de outros programas do mercado por várias razões,

dentre elas:

Preparação e tempo de teste reduzido devido à interface gráfica do PSCAD;


15

Representações reduzidas principalmente por elementos passivos como: resistores, in-

dutores e capacitores, podendo ser apresentados em blocos séries ou paralelos, de for-

ma a reduzir nós;

O algoritmo de ordenação ideal de chaveamento garante manobras rápidas e eficientes

na simulação;

EMTDC usa algoritmo de remoção Chatter para remover oscilações indesejáveis;

Não há restrição de elementos no circuito por capacidade de cálculo. Pode-se adicionar

a quantidade necessária de fontes, elementos em série, transformadores, dentre outros;

Pode-se usar os elementos de forma ideal (por exemplo, fontes com resistência igual a

zero) ou não;

Fácil possibilidade de criação de modelos próprios por parte dos usuários;

Intercâmbio entre o PSCAD/EMTDC e Fortran, C e MATLAB;

Inicialização de sistemas com arquivos instantâneos [18].

O conjunto dessas características deu ao PSCAD/EMTDC a característica da credibilidade de

maneira que diversas empresas de grande porte utilizam deste programa para simular seus

projetos e realizar estudos elétricos de seus equipamentos, empresas como: ABB, American

Eletric Power (AEP), CHESF, Areva, Hyundai Heavy Industries, Mistubishi, Siemens, Petro-

bras, dentre outras várias corporações de peso em todo o mundo. Segundo lista publicada pelo

site www.keystonent.com, em agosto de 2005, havia 810 usuários de grande porte registrados

como usuários do PSCAD, dentre estes estavam indústrias, universidades conceituadas e em-

presas estatais de energia, um demonstrativo explícito da confiabilidade deste software.

Os sistemas de potência elétricos assumem importante papel em nossa sociedade de

modo que sua falta causaria danos e prejuízos em nossa economia e produção. Sendo esta es-

trutura formada por diversos equipamentos, alguns deles de elevado custo, se torna fundamen-

tal a simulação de projetos desta natureza antes da construção de redes e protótipos de novos

equipamentos bem como a avaliação operacional de sistemas existentes. A seguir serão ex-

postos dois exemplos de sistemas simulados no PSCAD, desta forma será avaliado o desem-

penho de simulação do PSCAD/EMTDC.

2.3.4.1 - EXEMPLOS DE SIMULAÇÃO NO PSCAD

Este tópico irá citar dois exemplos de sistemas específicos simulados com o

PSCAD/EMTDC. Em cada caso, retirado de dois artigos distintos, será descrito o sistema es-

tudado, as grandezas simuladas e os resultados.


16

A. Estudo de Caso 1

O primeiro sistema será realizado a análise de um compensador síncrono estático de po-

tência (STATCOM) [20]. Este equipamento da eletrônica de potência tem o propósito de

compensar potência reativa. Com a queda de tensão surgida por uma partida de um motor, as

cargas sensíveis a esta queda de tensão devem permanecer ligadas e o sistema elétrico deve

continuar funcionando adequadamente com a tensão dentro dos limites normatizados com o

sistema em sua tensão nominal. O sistema para a realização da simulação é composto por: um

gerador, uma carga nominal, um motor de indução e o próprio STATCOM. O STATCOM é

composto pelos seguintes elementos: um inversor, um capacitor, um transformador e um sis-

tema de controle. A configuração básica do STATCOM está mostrada na Figura 2.6.

Figura 2.6 – Composição básica do compensador síncrono estático [20].

O sistema elétrico é alimentado por uma fonte trifásica de 13,8 kV, freqüência 60 Hz, com

neutro aterrado, uma carga resistiva e o motor de indução. Na figura 2.7 está representado o

sistema completo.


17

Figura 2.7 – Representação do sistema completo [20].

Na realização da simulação foi possível constatar a recuperação da tensão do sistema

(Vrms em pu versus tempo) na frequência de 60 Hz através do gráfico construído no PSCAD,

representado na Figura 2.8.

Figura 2.8 – Representação da recuperação da tensão do sistema no PSCAD.

O objetivo da simulação era avaliar a compensação por parte do equipamento STATCOM de-

vido à queda de tensão causada pela partida de um motor. Através da simulação foi possível

avaliar a recuperação da tensão do sistema em poucos ciclos. O artigo cita ainda em sua con-

clusão a seguinte referência ao PSCAD/EMTDC:

“Grandes vantagens podem ser citadas com relação à utilização do programa EMTDC / PSCAD, tais

como, a possibilidade de executar a simulação de casos com relativa complexidade em uma versão


18

livre (gratuita) em computadores com sistema operacional Windows 95 e conseqüente uso residencial

pelos alunos, a existência de uma grande quantidade de casos exemplos e modelos em sua biblioteca,

contando inclusive com manual e help.”

Desta forma é possível concluir que o PSCAD/EMTDC atendeu a todas as necessida-

des relativas à simulação do compensador síncrono estático de potência.

B. Estudo de Caso 2

O segundo estudo de caso trata de uma simulação feita pelo professor da Universidade

de Pernambuco (UPE), Manfredo Veloso Borges Correia Lima, para um artigo que descreve a

operação, controle e proteção de bancos de capacitores série em sistemas de transmissão em

500 kV instalados no sistema de transmissão da CHESF [21].

O banco de capacitores série em questão tem como propósito diminuir a reatância da

linha de transmissão. Sendo a potência transmitida inversa à reatância da linha, ao diminuir

esta reatância é incrementada maior capacidade de fluxo de potência na transmissão de ener-

gia. A simulação neste caso tem grande importância para que seja constatada a correta opera-

ção dos bancos capacitivos, seja em regime permanente ou quando submetido a alguma falta.

Para a proteção do banco de capacitores contra faltas externas foi utilizado um varistor do tipo

MOV (Metal Oxide Varistors) e para faltas internas foi utilizado o Spark Gap, equipamentos

que têm com princípio de funcionamento baseado no desvio de rota da corrente de alta magni-

tude, que do contrário poderia destruir os capacitores. Os dois elementos de proteção, varisitor

e spark gap, também foram representados na simulação.

Para a realização da simulação do caso mencionado houve uma montagem detalhada

do sistema de compensação série. Fazem parte deste sistema os seguintes componentes:

Grupo de capacitores com valores de potência, tensão e corrente;

O varistor do tipo MOV;

Spark Gap com a função de proteger o MOV durante faltas internas;

Circuito de amortecimento composto por um resistor e um reator;

Disjuntor de By-Pass.

Na Figura 2.8 é mostrada o sistema de compensação completo utilizado no estudo:


19

Figura 2.9 – Representação unifilar do sistema de Compensação [21].

A Figura 2.10 mostra as curvas de tensões e correntes simulados no PSCAD de um dos ban-

cos de capacitores quando ocorre uma falta trifásica interna, onde houve atuação de by-pass

através do Spark Gap.

Figura 2.10 – Curvas de corrente e tensão de banco capacitivo no momento da falta trifásica. A Figura 2.11 mostra a curva de corrente obtida na simulação de uma falta remota, em um dos

bancos capacitivos.


20

Figura 2.11 – Curva de corrente de banco capacitivo no momento de falta interna remota.

Ao verificar os elementos elétricos utilizados neste sistema, pode se perceber que não

se tratam de equipamentos de simples modelagem. Com a simulação realizada no caso descri-

to é possível concluir o grande desempenho para modelagem e simulação do

PSCAD/EMTDC, tendo em vista que foram utilizados componentes como varistores e disjun-

tores, elementos elétricos não-lineares.

2.4 - CONCLUSÃO

Neste capítulo foram apresentadas várias ferramentas computacionais para análise do

SEP. Foi comprovado o alto poder de simulação e grande capacidade de modelagem do

PSCAD/EMTDC, este será escolhido como simulador para o sistema estudado. O seguinte

caso será simulado neste trabalho: a atuação do sistema de proteção de uma estação de gera-

ção eólica sob a contingência de afundamento de tensão. Este sistema de proteção deve aten-

der requisitos de uma curva específica de afundamento de tensão. O Capítulo 3 irá discorrer

sobre as características, requisitos e normas para afundamento de tensão, que usina eólica co-

nectada a rede elétrica deve atender.

Capítulo 3 – Requisitos para Suportabilidade de Afundamento de Tensão

21

CAPÍTULO 3

REQUISITOS PARA SUPORTABILIDADE DE AFUNDAMENTO DE TENSÃO

3.1 - INTRODUÇÃO

Este Capítulo tem como objetivo comentar as condições de funcionamento das usinas

eólicas diante de faltas na rede elétrica. Estes requisitos são estabelecidos pelas operadoras

dos sistemas elétricos, que em várias partes do mundo estabelecem parâmetros com maior ní-

vel de exigência para a suportabilidade aos afundamentos de tensão na rede elétrica. Desta

maneira, os procedimentos de rede determinam que os aerogeradores suportem a certos per-

centuais de queda de tensão do seu valor nominal por um intervalo de tempo, definido pelos

órgãos reguladores de cada país ou região.

A curva de afundamento de tensão é o principal requisito utilizado para regulamentar a

suportabilidade ao afundamento de tensão. Serão descritas as principais características dos

procedimentos de rede dos países de vanguarda em geração eólica, bem como as definidas

pelo ONS e ANEEL, as instituições responsáveis pela operação do sistema interligado nacio-

nal no Brasil e pela regulação do mercado de energia, respectivamente.

3.2 - MOTIVAÇÃO

Nos últimos anos vem ocorrendo o aumento progressivo e acelerado de consumo ener-

gético, principalmente por parte dos países em desenvolvimento. A partir do final do século

XX, países como Alemanha, Holanda, Dinamarca, dentre outros países europeus, adotaram

cada vez mais o uso de energias renováveis para abastecer seus sistemas de energia. Este fato

se deve aos seguintes fatores:

O aumento de preço dos combustíveis fósseis;

A consciência do inevitável fim dos combustíveis fósseis;

A conclusão de que para se garantir uma sociedade baseada no desenvolvimento

sustentável é fundamental o aumento do uso de energias renováveis em substituição

aos combustíveis fósseis.

Dos diversos tipos de energias consideradas renováveis, àquela que vem apresentando

maior crescimento é a energia eólica, em função do avanço nos estudos dos sistemas eletro-

mecânicos associados à transformação da energia dos ventos em energia elétrica.


22

Entretanto a energia eólica, no início, sofreu dificuldades para se firmar. Pode-se consi-

derar que seu desenvolvimento se deve principalmente a decisão política, motivada pelos fato-

res já citados acima, do que por viabilização técnica e financeira, tendo em vista que este tipo

de energia apresenta caráter intermitente, e apesar do aumento do preço das fontes já existen-

tes seu custo não se mostrava competitivo. Entretanto, a partir deste investimento inicial por

parte dos governos, a geração de energia por fontes eólicas experimentou avanços tecnológi-

cos, aumento na participação nas matrizes energéticas e queda de preço, aproximando-se cada

vez mais dos custos de outras fontes convencionais. Desta forma se deu o crescimento da e-

nergia eólica até o atual contexto.

Mas esse crescimento, assim como a previsão de uma entrada em larga escala desta fon-

te de energia nos sistemas de geração elétrica, induziu os órgãos reguladores e operadores de

energia dos diversos países que adotaram a energia eólica em sua matriz, a editarem seus pro-

cedimentos de rede no que diz respeito à relação e integração entre rede elétrica e centrais eó-

licas.

Os códigos de rede têm como propósito definir as condições para o funcionamento dos

geradores de energia de forma a garantir estabilidade e a confiabilidade no fornecimento de

energia [22]. Um dos principais requisitos relativo à geração eólica é a suportabilidade a sub-

tensão ou o mundialmente conhecido LVRT (Low Voltage Ride Through) definida pela norma

IEC 61000-8-2. Esta condição consiste na continuidade do funcionamento dos geradores eóli-

cos mesmo em uma queda de tensão em um determinado intervalo de tempo. Os valores de

queda de tensão e o intervalo de tempo desta queda variam de acordo com a regulamentação

de cada país. Tal relação pode ser melhor interpretada através de um gráfico de tensão versus

tempo como é mostrado na Figura 3.1.

Figura 3.1 – Exemplo de curva Low Voltage Ride-through [22].


23

Estas subtensões têm sua origem em faltas ocorridas na rede. Sendo estas faltas imprevisíveis,

é necessário que o sistema de proteção do barramento onde se encontra os aerogeradores este-

ja sempre em prontidão para atender ao requisito de suportabilidade de tensão mínima pela

planta eolielétrica.

A seguir serão expostas as características gerais do sistema elétrico dos principais países

relacionados à geração eólica e serão comentadas com maior precisão as condições para a co-

nexão de plantas eólicas a esses sistemas.

3.3 - SISTEMA ELÉTRICO E PROCEDIMENTO DE REDE DA ALEMANHA

De acordo com pesquisas realizadas em 2006 pela Associação da Indústria de Energia

Elétrica da Alemanha, o consumo de energia elétrica no país foi aproximadamente de 540 bi-

lhões de kWh [23]. Para efeito comparativo, o Brasil que é um país de território 23 vezes

maior em área que a Alemanha teve no ano de 2005 um valor de consumo de 341 bilhões de

kWh. Pode se observar que a Alemanha é um país de grande consumo e a demanda de eletri-

cidade se distribuiu entre os setores de sua sociedade, pelos seguintes valores aproximados:

Agricultura – 1%;

Transporte – 3%;

Instalações Públicas – 8%;

Residências – 27%;

Comércio – 14%;

Indústrias – 47%.

Verifica-se que quase metade de sua carga é industrial, tipo de carga que caracteriza um

país com forte necessidade na expansão de geração de energia, e, além disso, segundo o Insti-

tuto de Pesquisas Energéticas e Ambientais em Heidelberg, fatores como resguardo de novas

tecnologias para conservação de energia, crescentes exigências de conforto, crescimento de

maiores espaços de convívio e aumento de utilização de equipamentos maiores em termo de

potência em residências, contribuem consideravelmente para o aumento no consumo de ener-

gia elétrica na Alemanha. Diante desse quadro de crescimento de demanda de energia que

vem desde a década de 1950 e continua a crescer devido aos motivos listados acima, a Ale-

manha que tem como pilar de sua matriz energética usinas termelétricas com fontes não reno-

váveis [23], cerca de 26 % sendo nuclear, através de uma decisão política apostou no desen-

volvimento de geração de energia eólica. O motivo dessa deliberação é a substituição em sua


24

matriz energética de geração nuclear por geração através de fontes renováveis, sendo escolhi-

da a fonte eólica para tal.

O sistema de potência elétrico da Alemanha está sob supervisão e operação de diferen-

tes concessionárias. As principais operadoras são compostas por quatro empresas, são elas:

E.ON, VE-T, RWE, EnBW. A distribuição dos parques eólicos entre as concessionárias se dá

da seguinte maneira: 42% dos parques eólicos concentram-se na rede da E.ON, 38% na VE-T,

19% na RWE e apenas 2% na EnBW [26]. A Figura 3.2 mostra a divisão das transmissoras no

território alemão. Estas companhias criaram normas regulamentadoras que regem a conexão e

operação de plantas eólicas ao sistema elétrico.

Figura 3.2 – Concessionárias de transmissão de energia na Alemanha [26].

Há algum tempo os geradores eólicos eram desligados da rede na ocorrência de um a-

fundamento de tensão, mas com o crescimento na complexidade e demanda das redes elétri-

cas, se tornou necessário criar regras para este tipo de desconexão. Regras que consistem em

manter o aerogerador conectado à rede, em determinadas condições, quando ocorrer uma

queda de tensão. Estas regras estão descritas abaixo [26]:

Em afundamentos que causam interrupção de curta duração, os aerogeradores não

devem apresentar funcionamento instável;

Fornecimento de potência ativa logo após a falta;


25

Aumento da potência de saída até o seu valor normal a uma taxa de 0,2 da potência

nominal por segundo;

Um breve desligamento na unidade geradora é permitido após 0,15 segundos após o

começo da falta, conquanto que a sincronização seja estabelecida dentro de 2 segun-

dos;

Após 1,5 segundo da ocorrência da falta, se a tensão no lado do cliente permanecer

num valor abaixo de 0,8 pu da tensão nominal, 25 % dos aerogeradores devem ser

desconectados, se 0,3 segundo depois a tensão continuar no mesmo nível 50% dos

geradores, 75% no caso de mais 0,3 segundo na mesma condição e por fim todos se-

rão desligados 0,3 segundo mais tarde, na continuação do mesmo abaixo de 80%.

Estas são as exigências de permanência ou desligamento dos aerogeradores no caso de afun-

damento de tensão na Alemanha, as quais podem ser representadas através do gráfico da Figu-

ra 3.3.

Figura 3.3 – Curva de Low Voltage Ride-through

do código de rede Alemão [22].

O Código de rede da Alemanha ainda prevê condições para desligamento de aerogera-

dores em casos de variação de freqüência. Neste caso é recomendado o desligamento instan-

tâneo dos aerogeradores quando a freqüência da rede estiver abaixo de 47,5 Hz ou acima de

51,5 Hz. Para os casos onde a freqüência f se encontra nos seguintes intervalos: 47,5 < f < 49


26

e 50,5 < f < 51,5 os tempos para o desligamento do aerogerador se encontram no gráfico abai-

xo, da Figura 3.4 [25].

Figura 3.4 – Tempos para desligamento do aerogerador

em função da tensão e freqüência da rede [22].

Outro requisito básico é a geração de reativos por parte dos aerogeradores de acordo

com o nível de tensão ao qual a rede se encontra. A forma como será gerada esta energia rea-

tiva não está presa a nenhum método, podendo ser efetuada pelo próprio aerogerador ou por

outra fonte, conquanto que o requisito seja cumprido. O gráfico que representa o requisito de

geração de reativos por parte dos aerogeradores está representado na figura 3.5.

Figura 3.5 – Limites de tolerância de tensão para geração de reativos [22].

Existe ainda uma diferenciação em relação à suportabilidade, onde a diferença será es-

tabelecida de acordo como o tipo de aerogerador. O primeiro tipo classifica os geradores sín-

cronos conectados diretamente à rede como p.ex. na geração convencional de energia elétrica.


27

Neste tipo, caso ocorra uma falta que cause qualquer instabilidade por mais de 150 ms a pro-

teção deve necessariamente isolar a falta. Neste primeiro caso é notável o nível de exigência,

pois nos primeiros 150 ms da falta a geração eólica deve suportar e se manter sem desliga-

mento até mesmo numa queda de 100% da tensão nominal. Após 150 ms a tensão deve ficar

acima de 70% da nominal para manter os aerogeradores ligados. Entre 700 ms até 1,5 s há um

aumento de tolerância linear até se estabilizar após 1500 segundos. No segundo caso se en-

quadram os geradores não síncronos. Duas exigências marcam esse tipo de aerogerador: O

sistema eólico não deve desconectar em qualquer circunstância de falta, além de que o parque

eólico deve alimentar a corrente de curto circuito. Em relação à saída dos aerogeradores, estes

serão desligados do sistema progressivamente, como já citado anteriormente.

3.4 - SISTEMA ELÉTRICO E PROCEDIMENTO DE REDE DE PORTUGAL

A EDP (Energias de Portugal) é a empresa responsável por todos os ramos técnicos de

energia elétrica em Portugal, desde a geração de energia elétrica até sua comercialização. A

EDP foi criada em 1976 através de uma grande fusão de 13 empresas de eletricidade se tor-

nando uma empresa estatal responsável desde então pela modernização, planejamento e ope-

ração do sistema elétrico, assim como a construção de parques geradores de energia elétrica

[27]. Atualmente a EDP é uma empresa de capital aberto que engloba diversas subsidiárias

como: EDP Renováveis, EDP Energias do Brasil, HC Energia, dentre outros.

A partir de 2001 Portugal seguiu a tendência de aumentar sua geração através de fontes

renováveis, isso se deve a uma determinação da União Européia, que estabeleceu que Portugal

deveria ter 39 % de sua energia consumida baseada em energias limpas [26]. A principal fonte

escolhida por Portugal foi a energia eólica. Este acréscimo de fontes renováveis na matriz e-

nergética está demonstrado na Figura 3.6, onde se pode perceber que no período entre 2005 e

2008 a capacidade acumulada foi de aproximadamente 2.750 MW. Com esse crescimento

progressivo de potência, se anteriormente os parques eram ligados à rede de distribuição, com

parques que ultrapassam 100 MW de potência instalada, atualmente aumentam o número de

estações eólicas que devem ser ligadas diretamente à rede de transmissão. Por conseqüência

se obtêm uma estrutura de transmissão de energia com maiores riscos de estabilidade e varia-

ção em seu transporte de energia. A Figura 3.7 mostra a potência instalada nas centrais eólicas

de algumas regiões.


28

Figura 3.6 – Gráfico de capacidade acumulada para energia eólica em Portugal [28].

Figura 3.7 – Regiões em Portugal com sua potência eólica instalada e em construção [28].


29

Nesse novo cenário de grandes centrais de geração eólica ligadas diretamente à rede, o

governo português modifica alguns pontos da legislação e a adapta com o objetivo de preser-

var a qualidade e estabilidade da rede elétrica, daí entram os requisitos que limitam a freqüên-

cia, a tensão e que aplicam as curvas de afundamento de tensão.

No que diz respeito à freqüência, o RNT – Rede Nacional de Telecomunicações de Por-

tugal define que o gerador deve ter seus valores entre 47,5 e 51,5 Hz sem desconectar do sis-

tema. A norma diz que nestas condições o aerogerador, além de não se desconectar da rede,

deve cessar a injeção de potência ativa na rede até que os valores de freqüência sejam norma-

lizados [26].

Com relação à ocorrência de falta de qualquer natureza na rede elétrica, caso esta falta

cause uma queda de tensão nos terminais de uma planta eólica, os valores de tensão na entra-

da do parque deve estar dentro da curva apresentada na figura 3.8.

Figura 3.8 – Curva de afundamento de tensão exigida em Portugal [26].

Ao interpretar a curva de afundamento de tensão da Figura 3.8 é possível apurar que:

num primeiro instante a exigência é que o percentual de tensão se encontre acima de 20% por

pelo menos durante 500ms. Entre 500ms e 1500ms (1,5 segundos) a curva sobe linearmente

até que seu ponto final seja igual a 80 % da tensão nominal. Entre 1,5s e 10s ocorre outra su-

bida linear, mas de forma mais suave, num intervalo de 9,5 segundos há aumento de apenas

10% na exigência. Por fim, após 10 segundos a tensão deve permanecer acima de 90%.

Para que ocorra uma rápida recuperação do sistema após a falta, a norma estabelece que

após o fim do estado de curto-circuito a potência ativa produzida pelo aerogerador deve atin-


30

gir seus valores nominais em uma taxa de crescimento de 0,05 da potência nominal por se-

gundo, desta maneira é esperado que mesmo ocorrendo falhas deste caráter com certa fre-

qüência o sistema não apresente déficit na geração de energia.

3.5 - SISTEMA ELÉTRICO E PROCEDIMENTO DE REDE DA DINAMARCA

A rede de transmissão da Dinamarca é administrada por duas operadoras do sistema: a

Eltra, responsável pela região leste do país e a Elkraft responsável pela região oeste. Um deta-

lhe a ser observado é que os dois sistemas são isolados entre si, de maneira que não há qual-

quer relação de topologia, redundância ou remanejo de energia por contingência entre os dois

sistemas elétricos [26].

Por serem isoladas em diversos aspectos as duas operadoras mantém conexões e rela-

ções de mercado com outros sistemas. O Elkraft, por exemplo, faz parte do mercado NordPo-

ol que consiste em um mercado de venda e compra de energia os quais faz parte sistemas elé-

tricos da Noruega (Stattnet), Estônia (Elering), Suécia (Svenska Kraftnät), Finlândia (Fingrid)

e Dinamarca (Elkraft). Compõe esse mercado mais 350 instituições, desde produtores de e-

nergia, companhias distribuidoras, comercializadores, grandes consumidores, dentre outros

[28]. Enquanto que a Eltra é conectada ao sistema elétrico alemão e mantém uma conexão de

corrente contínua com a Noruega e a Suécia.

Seguindo a tendência mundial, a Dinamarca lança uma estratégia com o objetivo de

comprometer-se com a redução de consumo de energia elétrica. Em fevereiro de 2008, o go-

verno entra em acordo com o parlamento em relação a uma nova política energética para o

país. Este acordo foi o primeiro no mundo a comprometer-se com a redução de consumo de

energia em nível mundial. O acordo consiste em atender ou superar as metas ambientais da

união européia para 2011 como: redução de consumo de energia em 2% com relação a 2006 e

fornecimento em 20% de energia através de fontes renováveis. O acordo inclui a construção

de novas usinas eólicas offshore de aproximadamente 400MW, assim como incentivo na ado-

ção de carros elétricos e financiamento por parte do estado para pesquisa de energia solar, e-

nergia gerada por ondas, dentre outras tecnologias que favoreçam a geração de energia limpa.

A partir de então houve o crescimento numérico e em potência por usina dos parques

eólicos na Dinamarca. Este crescimento originou a necessidade da criação de uma regulamen-

tação mais rígida, daí surgem dois decretos, cada um especificado para os dois níveis de ten-

são existentes:


31

Para tensões de no máximo 100kV: “TF 3.2.6 - Wind turbines connected to grids

with voltages below 100 kV”;

Para tensões acima de 100kV: “TF 3.2.5 - Wind turbines connected to grids with

voltages above 100 kV” [26].

A partir destas regulamentações foram definidos critérios para situações de afundamentos de

tensões e variações de freqüência, assim como outras situações ocasionadas por faltas elétri-

cas.

Assim como Portugal e Alemanha, a freqüência nominal na Dinamarca é de 50 Hz. Os

limites toleráveis em sistemas com tensão de alimentação menor ou igual a 100 kV (distribui-

ção) são entre 47 Hz e 52 Hz. Aerogeradores conectados ao sistema por linhas abaixo de 100

kV se enquadram nessas condições e não devem ser desconectados em hipótese alguma. Para

que não ocorra queda acentuada de produção de energia foi estabelecido que os parques eóli-

cos devem continuar a produzir energia mesmo com grandes variações de tensão e freqüência

por determinados períodos de tempo. A Figura 3.9 mostra os valores de tensão, freqüência e

tempo permitidos.

Figura 3.9 – Tempo aceito de variação de freqüência para a continuidade de geração de parques eólicos

na Dinamarca, tensão menor/igual a 100Kv [26].

No caso da usina eólica estar conectada ao sistema por uma linha com tensão acima de

100 kV (transmissão), os limites mínimos de operação de freqüência encontra-se entre 47,5

Hz e 53,0 Hz. Para este caso também existe tempo de tolerância para a desconexão do parque,


32

onde também terá como parâmetros a tensão, a freqüência e o próprio tempo. A Figura 3.10

expõe esse requisito.

Figura 3.10 – Tempo aceito de variação de freqüência para a continuidade de geração de parques eóli-

cos na Dinamarca, tensão maior que 100kV[26].

Para os critérios de suportabilidade a quedas de tensão, na Dinamarca, também deve ser

feita a mesma distinção através das normas TF 3.2.5 (acima de 100 kV) e TF 3.2.6 (abaixo de

100 kV) citadas acima. Para aerogeradores ligados ao sistema de distribuição, ou seja, ligados

ao sistema com tensão abaixo de 100 kV, a curva de suportabilidade está apresentada na Figu-

ra 3.11.

Figura 3.11 - Curva de suportabilidade a queda de tensão em usinas eólicas conectadas a tensão abaixo

de 100 kV [26].


33

Nesta curva de LVRT (low voltage ride-through) observa-se que nos primeiros 100 ms a ten-

são nos terminais da usina eólica deve se encontrar acima de 0,25 p.u. e abaixo de 0,9 p.u. En-

tre 100 ms e 1.000 ms (1 segundo) ocorre uma variação de 0,25 p.u. para 0,8 p.u., e após 10

segundos a tensão deve permanecer acima de 0,9 p.u. No caso da conexão entre a usina eólica

e a rede se encontrar por meio da rede de transmissão a curva de LVRT apresenta se como

mostrado na figura 3.12.

Figura 3.12 - Curva de suportabilidade para queda de tensão em usinas eólicas conectadas a tensão

acima de 100 kV [26].

Na curva para o sistema de transmissão após 0,1 segundo após ocorrência da falta a usina de-

ve ter a tensão em seus terminais entre 0,25 p.u. e 1 p.u. entre 0,1 segundo e 1 segundo a ten-

são deve estar acima da curva linear de mínimo 0,25 p.u. e 0,75 p.u.. E por fim, após 10 se-

gundos a tensão nos terminais do parque eólicos deve permanecer em 1 p.u. Desta forma, po-

de-se perceber a maior restrição e rigidez na curva de LVRT na transmissão de energia da Di-

namarca.

3.6 - SISTEMA ELÉTRICO E PROCEDIMENTO DE REDE DO BRASIL

O sistema elétrico de potência brasileiro pode ser considerado um dos mais complexos

do mundo, tendo em vista que a maior parte do País está interligada através do SIN (Sistema

Interligado Nacional). São 8.514.876,599 de km² em que a gestão da operação desta rede está

sob a responsabilidade do ONS (Operador Nacional do Sistema). Pode se afirmar que o SIN

abrange os sistemas de geração e transmissão da energia elétrica no Brasil. O SIN é dividido

basicamente em três grandes subsistemas:

Subsistema Sul/ Sudeste/ Centro-Oeste (S/ SE/ CO);

Subsistema Norte/ Nordeste (N/ NE);


34

Sistemas isolados do Norte.

É importante ressaltar que apesar de ainda haver forte característica da isolação dos pequenos

sistemas elétricos no norte do país, devido ao recente desenvolvimento desta região, o ONS

busca cada vez mais a interligação desta área, assim como a integração com o restante do

SIN.

Figura 3.13 – Sistema Interligado Nacional do Brasil [Fonte: www.ons.org.br]

Os principais órgãos e instituições envolvidos diretamente e indiretamente com o setor elétri-

co brasileiro a nível nacional são:

CNPE – Conselho Nacional de Política Energética: Órgão interministerial de assesso-

ramento à presidência da República. Responsável por revisar periodicamente as matri-

zes energéticas do país, assegurar os insumos energéticos de áreas remotas do país e

estabelecer diretrizes para programas específicos;

MME – Ministério de Minas e Energia: Órgão responsável por programar políticas pa-

ra o setor energético de acordo com diretrizes definidas pelo CNPE;

EPE – Empresa de Pesquisa Energética: Empresa veiculada ao MME tem como prin-

cipal objetivo realizar estudos e pesquisas de maneira que proporcionem informações

para o planejamento energético;


35

CMSE – Comitê de Monitoramento do Setor Elétrico: Coordenado pelo MME, consti-

tuída com o objetivo de avaliar a continuidade e segurança do suprimento elétrico de

todo o país;

ANEEL – Agência Nacional de Energia Elétrica: Tem como função regular o sistema

elétrico brasileiro no que diz respeito à geração, transmissão, distribuição e comercia-

lização da energia elétrica. A Aneel desempenha ainda a função de agente fiscalizador

da qualidade de serviços, universalização do atendimento e pelo estabelecimento das

tarifas para os consumidores finais;

CCEE – Câmara de Comercialização de Energia Elétrica: Tem como principal função

a apuração do Preço de Liquidação de Diferenças (PLD). O PLD é utilizado para esta-

belecer valor de transações no mercado de curto prazo;

ONS – Operador Nacional do Sistema Elétrico: Tem como funções operar, supervisio-

nar e controlar a geração de energia elétrica no SIN, e administrar a rede básica de

transmissão de energia elétrica no Brasil. Desta maneira deve aperfeiçoar custos e ga-

rantir a confiabilidade do sistema elétrico nacional [30].

Na Figura 3.14 encontra-se o organograma do novo modelo do setor elétrico brasileiro:

Figura 3.14 – Diagrama de instituições setor energético brasileiro [Fonte: http://www.ccee.org.br].

A matriz energética brasileira é baseada principalmente em fontes renováveis como a

energia hidrelétrica e o etanol. Devido ao grande potencial natural do Brasil em recursos hi-

dráulicos e as condições geográficas apropriadas, o crescimento no uso de energia hidrelétrica

no Brasil se tornou acentuado no decorrer dos anos. Pode se dizer que este processo teve seu


36

início após a segunda guerra mundial, após a construção de Paulo Afonso I com potência de

180 MW. A partir de então foram construídas outras usinas como: Três Marias, Itaipu, Xingo,

dentre outras. A Figura 3.15 mostra a grande participação das usinas hidrelétricas no Brasil no

decorrer dos anos [33].

Figura 3.15 – Potência hidrelétrica instalada e sua participação na geração de energia no Brasil.

Mesmo tendo a fonte hidráulica como principal fonte geradora de energia elétrica, com o pas-

sar do tempo o Brasil vem investindo em diversas fontes de energia como: etanol, gás natural,

carvão, nuclear e eólica. Sendo que esta última vem ganhando destaque nos últimos anos,

principalmente por incentivo do governo federal que criou o Programa de Incentivo às Fontes

Alternativas de Energia Elétrica (Proinfa). Apesar de incentivar a utilização de outros tipos de

fontes renováveis como a biomassa e as PCHs, o estado da arte atual favorece o uso da fonte

eólica. O crescimento das fontes eólicas no Brasil promove vantagens como:

Redução no uso de fontes baseadas em carbono (gases do efeito estufa);

Aumento na segurança estratégica;

Criação de empregos;

Aproveitamento do grande potencial eólico do país (estimado em 145.000 MW).

O cenário atual da energia eólica conta com aproximadamente 602 MW de capacidade insta-

lada. O Nordeste é o principal detentor dos parques, um adicional de 45 usinas eólicas está em


37

fase construção para gerar 2.139 MW [31]. Nessa conjuntura de crescimento da energia eóli-

ca, torna-se muito importante atentar para que sua operação se dê de maneira segura.

A Aneel, enquanto agente regulador do sistema elétrico brasileiro, em dezembro de

2008 publica o documento PRODIST (Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no

Sistema Elétrico Nacional) que é a compilação das normas que definem a forma, condições,

responsabilidades, penalidades, e planejamento entre as distribuidoras de energia elétrica,

consumidores e centrais geradoras conectadas ao sistema de distribuição, incluindo redes e

linhas em tensão inferior a 230 kV, garantindo a troca de informação entre as partes, além de

estabelecer critérios e indicadores de qualidade [26]. Dos diversos temas abordados do PRO-

DIST, encontram se os requisitos para conexão dos aerogeradores. A seguir serão descritos

estes requisitos. No segmento de 230 kV acima do Sistema Interligado Nacional, o ONS em

2005 criou um documento regulatório denominado Procedimentos de Rede.

Com relação ao controle da usina em freqüências fora dos valores nominais, a operação

das usinas eólicas nesta situação deve proceder da seguinte maneira quando ligados aos siste-

mas de transmissão, de acordo com os PROREDE do ONS:

Quando a freqüência estiver entre 56,5 e 63 Hz a operação dos geradores deve ocorrer

sem a atuação dos relés de subfrequência e sobrefrequência instantâneos;

Quando a freqüência estiver abaixo de 58,5 Hz, a operação dos geradores deve supor-

tar esta condição por um período de 10 segundos;

Quando a freqüência estiver entre 58,5 Hz e 61,5 Hz a operação dos geradores deve

ocorrer sem a atuação dos relés de subfrequência e sobrefrequência temporizados;

Quando a freqüência estiver acima de 61,5 Hz, a operação dos geradores deve suportar

esta condição por um período de 10 segundos.

O objetivo da estratégia acima é aproveitar ao máximo o sistema de alívio de carga, onde mui-

tas vezes as condições de distúrbio de freqüências são controláveis. Desta forma é possível

que se evite o desligamento dos geradores quando há déficit de geração [22].

Na ocorrência de distúrbios de freqüência quando a usina eólica está ligada ao sistema

de distribuição, o PRODIST determina as seguintes condições:

A operação deve ocorrer de maneira normal quando a frequência se encontrar entre

59,9 Hz e 60,1 Hz;

No caso da freqüência sair do intervalo entre 59,5 Hz e 60,5 Hz, a operação dos aero-

geradores deve voltar a esta faixa no prazo de 30 segundos após a saída;

Nos casos onde há necessidade de corte de geração ou de carga, para garantir a recupe-

ração do equilíbrio carga-geração, a freqüência não pode exceder 66 Hz ou ser inferior


38

a 56,5 Hz em condições extremas; pode permanecer acima de 62 Hz por no máximo

30 segundos e acima de 63,5 por no máximo 10 segundos; pode permanecer abaixo de

58,5 Hz por no máximo 10 segundos e abaixo de 57,5 Hz por no máximo 5 segundo

[26].

Em relação à operação da usina eólica ligada a rede básica durante o afundamento de tensão

causada por curto-circuito, envolvendo uma ou mais fases, a conexão deve permanecer de

modo normal quando a tensão nos terminais da central eólica permanecer acima de curva a-

presentada na figura 3.16. Nesta figura se observa os seguintes requisitos:

Nos primeiros 0,5 segundos do afundamento de tensão, os aerogeradores devem conti-

nuar em funcionamento, caso a tensão em seus terminais seja superior a 20% da tensão

nominal;

Entre 0,5 segundo e 1 segundo, a tensão deve permanecer acima da curva linear;

Entre 1 segundo e 5 segundos a tensão deve permanecer acima de 85 % da tensão no-

minal no ponto;

Após 5 segundos do começo da queda de tensão, a tensão deve permanecer acima de

90 % da tensão nominal no ponto.

Figura 3.16 – Curva de suportabilidade a afundamento de tensão definida pelo ONS [22].

É interessante observar que para usinas ligadas aos sistemas de distribuição o Prodist não es-

tabelece requisitos para suportabilidade a faltas [22].


39

3.7 – CONCLUSÃO

Com o propósito de dar uma visão geral dos sistemas elétricos na atualidade, o capítulo

3 fez uma breve descrição das regras em vigor nos países como Alemanha, Portugal, Dina-

marca e Brasil. Foram também descritos os principais requisitos de operação das usinas eóli-

cas conectadas aos sistemas de distribuição e/ou transmissão de cada país, o que forneceu o

conhecimento sobre a regulamentação de operação de parques eólicos nestes países no que diz

respeito a distúrbios de freqüência e afundamentos de tensão.

O próximo Capítulo irá descrever a simulação realizada que foi baseada na curva de a-

fundamento de tensão apresentada na Figura 3.16, o requisito de tensão nos terminais das usi-

nas eólicas determinada pelo ONS.

40

CAPÍTULO 4 – Estudo de Caso de Curva de Afundamento de Tensão com Aplicação no PSCAD

CAPÍTULO 4

ESTUDO DE CASO DE CURVA DE AFUNDAMENTO DE TENSÃO COM APLICAÇÃO NO PSCAD

4.1 - INTRODUÇÃO

Este Capítulo apresenta um estudo de caso de afundamento de tensão ocorrido nos ter-

minais de um aerogerador. utilizando o PSCAD/EMTDC. Este estudo contempla os seguintes

objetivos:

Apresentar os principais componentes utilizados no PSCAD com breve descrição des-

tes;

Apresentar algumas considerações sobre a construção do sistema no PSCAD;

E como objetivo final, demonstrar a atuação do relé de proteção associado ao disjuntor

do aerogerador, configurado a partir de um bloco de controle que representa o relé.

Neste bloco é implementado a curva LVRT (low voltage ride through), onde um sinal

de atuação será enviado ao disjuntor no caso da tensão eficaz nos terminais do aeroge-

rador se encontre abaixo dessa curva.

4.2 – MODELAGEM NO PSCAD

O PSCAD possui em sua biblioteca principal (master library) grande quantidade de e-

lementos e blocos, desde representação de equipamentos elétricos, blocos lógicos e elementos

de exportação e importação. Para a construção do modelo a ser apresentado foram utilizados

blocos de bibliotecas como a de sistema de controle, disjuntores, faltas e máquinas rotativas.

A seguir serão mostrados os principais blocos utilizados na montagem e suas respectivas fun-

ções. Vale ressaltar que esta biblioteca já é incluída por padrão no programa. Quando o pro-

grama é aberto, a biblioteca aparece na tela principal como está mostrado na Figura 4.1. Os

seguintes parâmetros foram utilizados para realizar a simulação:

Passo de tempo da solução: 100 µs;

Passo de tempo do canal: 100 µs;

Duração da Simulação: 15 s;

41


Figura 4.1 – Tela inicial do PSCAD com biblioteca principal (library master) em destaque.

4.2.1 – TURBINA EÓLICA

O modelo que simula uma turbina eólica é mostrado na Figura 4.2. Suas entradas são

coeficiente de potência Cp, a velocidade do vento Vw e o sinal de velocidade angular Wm. A

saída corresponde ao torque mecânico (Tm).

Figura 4.2 – Bloco correspondente à turbina eólica.

Os seguintes parâmetros constantes foram definidos para este modelo.

Potência Nominal da Máquina: 2MW;

Raio do Rotor: 40 m;

Densidade do Ar ( ρ ): 1,225 kg/m3;

Coeficiente de Potência (Cp): 0,28;

Um diagrama de blocos interno ao bloco da Figura 4.1 é responsável pela obtenção do

torque na saída, onde todas as constantes e variáveis citadas estão envolvidas na obtenção da

potência mecânica da turbina expressa pela Fórmula 4.1:

3m p w

1P = C A V2

ρ⋅ ⋅ ⋅ (4.1)

42


Ao dividir Pm (potência mecânica) pela velocidade angular (ωm), obtém se o torque,

expresso pela fórmula 4.2:

m

m

PTω

= (4.2)

4.2.2 – ROTOR BOBINADO DA MÁQUINA DE INDUÇÃO

O gerador adotado neste estudo de caso é o DFIG (Doubly-fed induction generator),

ou também determinado, gerador de indução duplamente alimentado cujo bloco é mostrado na

figura 4.3.

Figura 4.3 – Bloco correspondente ao rotor da máquina de indução duplamente alimentado.

Esta máquina possui a seguinte característica que a define: é uma máquina de indução

com rotor bobinado e conversores eletrônicos de potência ca-cc-ca, onde um dos conversores

é conectado à rede e o outro é conectado aos enrolamentos do rotor, sendo que os dois con-

versores são interligados através de um circuito capacitivo e com controle PWM [32]. O mo-

delo recebe as seguintes entradas: velocidade de entrada (W), chave para acionar modo de

controle por velocidade ou modo de controle por torque e torque de entrada (TL) que será

fornecida pelo bloco turbina eólica. Ainda há os terminais trifásicos do conversor do gerador e

os terminais trifásicos ligados diretamente à rede elétrica.

4.2.3 – CONVERSORES E CONTROLES DA REDE E DO GERADOR

43


Este componente representa o conjunto conversor da rede, elo cc e conversor do gera-

dor. O controle do conversor do lado do gerador tem como função controlar a velocidade do

rotor e controlar a potência reativa que irá entrar ou sair do gerador através do estator. O con-

trole do conversor do lado da rede tem como função controlar a tensão no barramento cc e a

potência ativa que entra ou saí do rotor para a rede. A saída GABC corresponde ao controle

para o conversor do lado do gerador, enquanto que a saída SABC corresponde ao controle do

conversor lado da rede. Na Figura 4.4 é apresentado o bloco correspondente aos conversores.

Figura 4.4 – Bloco correspondente aos conversores do lado da rede e do gerador.

4.2.4 – DISJUNTOR

O bloco da Figura 4.5 representa o disjuntor. Este bloco é utilizado nos terminais do

gerador. O acionamento (estado lógico = 1) deste bloco é o sinal de que o aerogerador está

desconectado. A ação deste bloco será realizada quando o sinal BRK estiver em nível lógico 1

(cor verde), indicando que o disjuntor abriu e o aerogerador está desligado da rede. No caso

do disjuntor se apresentar na cor vermelha como mostra a Figura 4.5 (nível lógico 0), o dis-

juntor está fechado e o a aerogerador está ligado à rede.

Figura 4.5 – Bloco correspondente ao disjuntor.

44


4.2.5 – TRANSFORMADOR

O bloco correspondente ao transformador está representado na Figura 4.6. Os princi-

pais parâmetros considerados para este bloco são:

Potência nominal do transformador;

Definição dos enrolamentos primário e secundário, em delta ou estrela;

Tensão do enrolamento secundário e tensão do enrolamento primário;

Frequência Nominal.

Figura 4.6 – Bloco correspondente ao transformador.

No estudo de caso apresentado foi utilizado um transformador abaixador conectado en-

tre o aerogerador e o PCC (ponto comum de conexão). A potência nominal do transformador

é de 1 MVA e a tensão de 20 kV foi abaixada para 0.69 V, tensão que alimenta o aerogerador.

4.2.6 – GRÁFICO

Para apresentar os gráficos de sinais foi utilizada a função “Graph Frame”. Esta função

apresenta vários recursos e cria uma interface interativa e amigável, permitindo, por exemplo

o uso de grades de fundo para melhor interpretar o gráfico, o uso de escalas para multiplicar

ou dividir o gráfico original. Outra função que ofereceu grande utilidade é o uso de dois sinais

em um mesmo gráfico, muito importante para a finalidade de comparação entre sinais. Na Fi-

gura 4.7 encontra-se a mostra a janela de amostra do gráfico.

45


Figura 4.7 – Janela de amostra de gráfico.

4.2.7 – CANAL DE SAÍDA

A principal função do canal de saída é gravar o sinal que foi conectado a ele, com a fi-

nalidade de mostrar em um dispositivo de amostragem este sinal. Na Figura 4.8 encontra-seo

bloco que representa o canal de saída.

Figura 4.8 – Bloco correspondente ao canal de saída.

Para todos os gráficos é necessário que se utilize este canal de saída para realizar a li-

gação entre a janela do gráfico e o sinal a ser exposto nele. Dentre outras funções, uma de

grande importância deste bloco é desempenhar a interface entre os sinais e a janela de gráfico.

4.2.8 – MULTÍMETRO

O bloco da Figura 4.9 corresponde ao multímetro.

46


Figura 4.9 – Bloco correspondente ao multímetro.

Apesar de não desempenhar nenhuma função fundamental no que diz respeito ao fun-

cionamento do sistema ou sua interpretação, se mostrou muito útil para comparação de valo-

res de tensão em determinados instantes. Sua função é realizar a medição de valores instantâ-

neos de diversas variáveis, dentre estas é possível escolher a medição de:

Corrente instantânea;

Tensão instantânea;

Fluxo de potência ativa;

Fluxo de potência reativa;

Tensão eficaz;

Ângulo de Fase

Dentre estas, foram medidos os fluxos de potência ativa e reativa como também os va-

lores de tensão eficaz nos terminais de entrada do aerogerador.

4.2.9 – FONTE DE TENSÃO TRIFÁSICA

Na figura 4.10 é mostrada a fonte de tensão utilizada na representação da rede elétrica à qual

o aerogerador está ligado.

Figura 4.10 – Bloco correspondente à fonte de tensão.

47


Por representar todo o sistema ao qual a turbina esta ligada foi utilizada somente uma

fonte trifásica de tensão. Os parâmetros que definem a fonte são:

Potência de Base;

Tensão de base entre linhas eficaz;

Frequência de base;

Definição de barramento infinito.

As entradas principais a serem definidas, como mostradas na figura 4.10, são tensão

eficaz entre linhas (V) e ângulo de fase (Ph).

4.2.10 – CURTO-CIRCUITO TEMPORÁRIO

A simulação da falta é representada pela Figura 4.11. Este bloco deve ser conectado ao

local onde a falta deve ocorrer.

Figura 4.11 – Bloco correspondente à falta (curto-circuito).

O tempo de duração da falta é definido pelo bloco “timed fault logic”, onde são defi-

nidos: o tempo exato do começo da falta e o tempo de duração. O bloco responsável pelos pa-

râmetros de tempo da falta é mostrado na Figura 4.12.

Figura 4.12 – Bloco correspondente ao tempo de duração da falta.

48


A falta aplicada na simulação teste é do tipo trifásico, e sua magnitude pode variar de

acordo com os valores de impedância definidos internamente no bloco da Figura 4.11;

4.2.11 – RELÉ DE ACIONAMENTO DO DISJUNTOR

O relé é representado por um conjunto de blocos que representam a função responsá-

vel por acionar o disjuntor na situação de queda de tensão.

Figura 4.13 – Conjunto de blocos correspondente ao relé de acionamento do disjuntor.

Na figura 4.13 é apresentado a curva implementada de nível de tensão e tempo corres-

pondente à curva de LVRT definida pelo ONS e apresentada no capítulo 3 deste trabalho.

O grupo que representa o relé é composto pelos seguintes parâmetros:

Bloco de leitura de arquivo (teste.txt);

Bloco comparador;

Sinal de saída do bloco de leitura de arquivo (LVRT);

Sinal de entrada no comparador Vrms_pu;

Sinal de saída do comparador BRK.

O bloco de leitura de arquivo lê um arquivo de extensão.txt, o qual deve estar no

mesmo diretório do arquivo a ser simulado no PSCAD. A saída do bloco será um gráfico onde

o tempo assume a abscissa e os valores da ordenada serão os valores da queda de tensão a se-

rem tolerados pela curva LVRT. A saída deste bloco será exatamente a curva tempo x queda

de tensão adotada pelo ONS. Logo em seguida esta curva será uma das duas entradas do bloco

comparador, onde a outra entrada é a tensão instantânea em p.u. nos terminais do aerogerador.

O bloco de comparação funciona da seguinte maneira: enquanto a entrada B (sinal

V_pcc) for maior que a entrada A (sinal LVRT) a saída lógica do bloco corresponde à zero

(sinal BRK), caso contrário, sinal A maior que B, a saída corresponde a 1, ou seja BRK será 1

49


que acionará a abertura do disjuntor. Através deste simples diagrama de blocos foi possível

programar a proteção ao afundamento de tensão para o acionamento do disjuntor.

4.3 – CONSIDERAÇÕES DA IMPLEMENTAÇÃO DO SISTEMA NO PSCAD

As simulações foram realizadas no laboratório do GPEC (Grupo de Processamento de

Energia e Controle) do Departamento de Engenharia Elétrica da UFC. Foi adquirida uma li-

cença para a utilização do PSCAD, licença esta que é acionada através de uma chave USB,

mostrada na Figura 4.14:

Figura 4.14 – Chave USB para uso do PSCAD.

A vantagem no uso deste tipo de chave para uso de software é a possibilidade do pro-

grama ser instalado em vários computadores, com a condição que estes se encontrem na

mesma rede de dados onde se encontra instalado o servidor da licença. Todos os computado-

res podem inicializar o PSCAD, criar e editar modelos simultaneamente, no entanto a limita-

ção fica por conta da realização da simulação que só pode ocorrer quando a chave USB esti-

ver inserida no computador. Portanto, todas as simulações foram realizadas no GPEC com a

utilização da chave de registro USB.

Para a montagem do sistema foi utilizado um sistema exemplo já disponibilizado no si-

te oficial PSCAD. Este sistema consiste em um aerogerador que utiliza um gerador de indu-

ção duplamente alimentado (DFIG). Neste sistema também já se encontra incluído a falta tri-

50


fásica que pode ser controlada facilmente através de suas impedâncias internas. A página de

download pode ser visualizada na Figura 4.15 abaixo:

Figura 4.15 – Arquivo original disponibilizado pelo PSCAD

[https://pscad.com/products/pscad/free_downloads/]

A principal configuração, que é o foco deste trabalho, foi a implementação da proteção

do aerogerador em situação de afundamento de tensão causado por um curto-circuito. O cur-

to-circuito foi aplicado no PCC (ponto de conexão comum) tal que seu efeito se refletisse da

maneira mais intensa possível nos terminais do aerogerador.

Por se tratar de uma proteção muito específica, não foi possível encontrar um dispositi-

vo completo que comparasse o nível de tensão no aerogerador com a curva de LVRT e dispa-

rasse um sinal para atuação do disjuntor. Desta maneira, foi desenvolvido através de lógica de

blocos um relé que enviasse um sinal, para comandar o bloqueio da abertura do disjuntor do

aerogerador. Para a construção desse relé que devido à sua natureza foi batizado de relé L-

VRT, iniciou-se com um bloco que construísse o sinal da curva de afundamento de tensão

descrito pela ONS (Figura 4.16).

51


Figura 4.16 – Curva de afundamento de tensão a ser reproduzida no PSCAD.

Para realizar essa função foi utilizado o bloco File Read que faz exatamente o que sua

tradução diz que é “ler o arquivo”, ou seja, um arquivo no formato .txt. Neste arquivo foram

definidos os pontos nos eixos x e y. Os pontos do eixo x representam automaticamente a vari-

ável “tempo”, enquanto que os valores assumidos no eixo y representam um sinal de saída

que é definida na saída do bloco correspondente a curva limite mínimo de tensão (LVRT),

como mostrado na figura 4.17.

Figura 4.17 – Bloco “File Read” e sua saída.

Com a construção deste bloco, obtém-se o sinal de afundamento desejado em sua saída.

Outro sinal necessário é o valor de tensão nos terminais do aerogerador, Vrms_pu, fornecido

pelo sistema. Por fim, é realizada a comparação entre o sinal de saída do arquivo “File Read”

e o sinal Vrms_pu. Esta comparação é realizada através do bloco “Two Input Comparator”.

Este bloco foi programado de uma maneira simples. Ele compara os dois sinais de entrada,

enquanto o sinal de tensão estiver acima do sinal gerado de LVRT o bloco comparador terá

sua saída (BRK) no nível lógico igual a 0, caso contrário será gerado um sinal lógico igual a

1, indicando a atuação do relé de abertura do disjuntor e por conseqüência a saída do aeroge-

52


rador da rede. Desta forma está feito o conjunto que representa a lógica do relé de proteção

para a curva de afundamento de tensão.

O sistema é composto ainda por quatro módulos distintos, responsáveis por controles e

gráficos do sistema utilizado.

Figura 4.18 – Módulos utilizados do arquivo do sistema simulado LVRT_ORIN2.

O módulo Plot-controls controla e exibe gráficos de variáveis como velocidade angular do

rotor, corrente de componente de eixo direto, corrente de componente de eixo em quadratura e

potência gerada. O módulo Faults é responsável por controlar e definir a magnitude da falta.

Este módulo é fundamental para o resultado esperado da simulação. O módulo Windfarm é

composto por um diagrama de blocos que resulta no torque. Através deste diagrama são cal-

culados os valores descritos no item 4.2.1 deste capítulo, ou seja, toda a lógica interna do blo-

co da turbina eólica é realizada neste módulo. O bloco DFIG_Controls tem como função rea-

lizar o controle da máquina de indução, dentre estes encontram-se:

Lógica de ativação de modo de controle de velocidade ou modo de controle de torque;

Controle de fluxo do estator;

Bloco que determina defasamento espacial entre os eixos magnéticos do rotor e do es-

tator;

Controle de ajuste de histerese e corrente de referência do PWM;

Controle de velocidade para máxima potência;

Proteção de sobrecorrente Crowbar (não utilizado neste estudo);

Conversores de componentes de fase em componentes em quadratura e direto (o es-

quema de controle vetorial direto e em quadratura é utilizado para controle de potência

ativa e reativa);

53


Dentre outros controles intrínsecos ao DFIG, para que seu funcionamento seja estável.

Outra consideração importante a ser constatada é a utilização do valor eficaz da tensão

para a monitoração da subtensão. Para esta finalidade o ideal é o uso do valor agregado de

tensão, tendo em vista que este representa a tensão na sua forma mais instantânea possível

[22]. O que pode ocorrer ao usar o valor eficaz da tensão é a perda de algumas medições ins-

tantâneas, ou seja, não é atingido o nível máximo de precisão na monitoração da subtensão.

Ainda assim, ao realizar a simulação é possível notar que não há perdas nas medições, ao pon-

to de prejudicar o acionamento da proteção do sistema em estudo. No próximo tópico será

possível observar o funcionamento da lógica do relé de forma precisa, acionando o disjuntor

de proteção do aerogerador mesmo utilizando-se do valor eficaz para monitoração.

4.4 – SIMULAÇÃO DE AFUDAMENTO DE TENSÃO NO AEROGERADOR

Este tópico trata dos resultados da simulação do estudo de caso proposto. Para colocar a

prova a lógica de atuação do relé, as seguintes situações de afundamento de tensão gerados

pelo curto circuito trifásico no PCC são simuladas:

− Situação 1: Curto-circuito com afundamento de tensão para 0,8 pu e duração de 0,5 s;

− Situação 2: Curto-circuito com afundamento de tensão para cerca de 0,4 pu e duração de 2

s;

− Situação 3: Curto-circuito com afundamento de tensão para cerca de 0,2 pu e duração de

0,5 s. Este curto-circuito é o mais próximo do curto-circuito franco, em que a resistência

de curto-circuito é zero;

− Situação 4: Curto-circuito com afundamento de tensão para cerca de 0,2 pu e duração de 2

s;

Em todas as situações deve ser observada a atuação do disjuntor (sinal BRK=1) quando a ten-

são eficaz estiver abaixo da curva LVRT.

Para realizar a variação dos parâmetros tempo de duração de curto circuito e intensidade

do curto-circuito foi criado o módulo Faults já citado anteriormente. Este módulo é acessado

através do bloco da Figura 4.11. O tempo de falta é definido como citado na seção 4.2.10.

No caso da variação dos níveis de intensidade do curto-circuito é utilizado um circuito

composto por cinco disjuntores trifásicos e quatro impedâncias, estando cada impedância em

paralelo com um disjuntor como ilustrado na Figura 4.19.

54


Cada disjuntor encontra-se inicialmente aberto, desta forma existe um caminho de alta

impedância impedindo que a corrente desvie sua rota através do circuito. Através do bloco

Timed breaker Logic de cada disjuntor é programado o tempo no qual devem fechar e criar

um caminho de baixa impedância ou impedância zero para a corrente ocasionando, assim, o

curto-circuito. A intensidade do curto-circuito varia de acordo com o número de disjuntores

que são programados para abrir na ocorrência da falta.

Figura 4.19 – Circuito responsável pela ocorrência do curto-ciruito.

4.4.1 – SITUAÇÃO 1: FALTA COM AFUNDAMENTO DE TENSÃO DE BAIXA SE-

VERIDADE E DURAÇÃO DE 0,5 SEGUNDO

Esta situação tem como principal finalidade mostrar os gráficos de atuação do disjuntor

e do sinal de tensão eficaz em situação em que, o afundamento de tensão para 0,4 pu e dura-

ção de 0,5 s nos terminais do aerogerador se encontra dentro dos limites da curva de LVRT de

forma plena. Para esta situação foi ativado um único disjuntor H mostrado na Figura 4.19.

Desta forma, a corrente desviada tem que percorrer quatro impedâncias distintas representan-

do um curto-circuito trifásico de baixa intensidade.

55


Figura 4.20 – Curva de tensão eficaz e LVRT na situação 1.

A curva da tensão eficaz (Vrms_pu) está mostrada em verde na figura 4.20. Como pode

ser visto em nenhum momento o sinal Vrms_pu está abaixo da curva LVRT, resultando em

um sinal BRK em nível lógico igual a 0 no decorrer da falta como mostrado na Figura 4.21.

Figura 4.21 – Sinal de BRK em nível 0 durante situação de falta.

Em termos práticos o que ocorre é que o aerogerador permanecerá conectado à rede du-

rante a falta, pois esta se manteve dentro dos limites estabelecidos pela curva LVRT estabele-

cida pelo ONS. Uma observação a ser feita é que a curva LVRT tem seu nível inicial em 0,98

p.u. respeitando a variação de tensão de 5% que pode ocorrer em regime permanente.

56


4.4.2 – SITUAÇÃO 2: FALTA COM AFUNDAMENTO DE TENSÃO DE SEVERIDA-

DE MÉDIA E DURAÇÃO DE 2 SEGUNDOS

Na situação 2 é estudado um caso em que a duração da falta varia entre 3 a 5 segundos,

ou seja, é esperado que o sinal de BRK seja ativado pela longa duração do curto-circuito. Para

esta falta de média intensidade foram ativados os disjuntores H, H1 e H2, de maneira que a

corrente de curto-circuito percorresse apenas as duas últimas impedâncias. Assim, a magnitu-

de da falta aumenta e é esperado um afundamento de tensão mais severo em relação à primei-

ra situação. Pela Figura 4.22 é possível observar que a tensão eficaz encontra-se acima da

curva num primeiro instante do afundamento de tensão, mas devido a sua longa duração acaba

por ficar abaixo da curva de LVRT acionando assim o disjuntor através de pulsos lógicos de

valor 1 mostrados na Figura 4.23.


Figura 4.23 – Nível lógico do BRK do controle do disjuntor

quando condição LVRT não é satisfeita na situação 2.

57


Mesmo após 5 segundos é possível notar que a tensão ainda tenta retornar ao seu valor

nominal durante 0,6 segundo deixando o sinal de BRK ainda em 1 durante esse tempo. Ob-

serva-se que a partir de 3,6 segundos o disjuntor é acionado e o aerogerador é desconectado

da rede. Observa-se também que o sinal de BRK não permanece constante, pois durante a o-

corrência da falta há pulsos de tensão que ficam acima de LVRT por centésimos de segundos.

Na prática, deve ser implementado um tipo de temporização na proteção, de maneira que após

acionado o disjuntor, este só deve fechar novamente quando o nível 0 (Vrms_pu>LVRT) du-

rar um tempo mínimo, como por exemplo 1 segundo, isto para que não haja aberturas e fe-

chamentos sucessivos do disjuntor.

4.4.3 – SITUAÇÃO 3: FALTA COM AFUNDAMENTO DE TENSÃO DE GRANDE

SEVERIDADE E COM DURAÇÃO DE 0,5 SEGUNDO

Na situação 3 a falta ocorre entre 3 e 3,5 segundos com a diferença que neste caso a fal-

ta é originada por um curto-circuito franco (impedância de curto-circuito tendendo a nula). O

controle para simular essa falta foi através da ativação dos 5 disjuntores que constituem o cir-

cuito da falta. Assim a corrente de curto-circuito tem sua maior magnitude, pois percorre um

caminho de baixíssima impedância. Como pode ser visto na figura 4.24 o afundamento de

tensão atinge a maior queda, para 0,2 pu, em relação às situações apresentadas.


É perceptível que o nível de tensão durante a falta se manteve um pouco abaixo dos

20% impostos pela curva. Ainda que tenha ocorrido a mesma condição de variação de tensão

58


acima e abaixo da curva de LVRT por breves instantes foi considerado a mesma filosofia de

proteção adotada no segundo caso, em que o disjuntor após ser acionado só volta a fechar a-

pós o sinal BRK se mantiver por 1 s em nível 0. Desta forma a atuação da proteção durou en-

tre 3.2 a 3.5 segundos. Como pode ser visto na figura 4.25, o sinal de BRK manteve a tendên-

cia de acionamento durante este intervalo, ainda que em alguns instantes tenha voltado a zero

pelas razões já mencionadas acima.

Figura 4.25 – Nível lógico do controle BRK quando condição LVRT não é satisfeita na situação 3.

Considerando a filosofia de proteção de tempo mínimo de fechamento do disjuntor,

pode se dizer que na situação 3 o aerogerador permaneceu fora da rede por um tempo mínimo

de 4.2 segundos, caso este tempo de religamento do disjuntor seja de 1 segundo.

4.4.4 – SITUAÇÃO 4: FALTA COM AFUNDAMENTO DE TENSÃO DE GRANDE

SEVERIDADE E COM DURAÇÃO DE 2 SEGUNDOS

A situação 4 representa neste trabalho o último desafio à lógica de acionamento do sinal

de BRK, tendo em vista que já foram testados seu correto funcionamento em três situações:

Tensão dentro dos limites da curva LVRT – Situação 1;

Tensão abaixo dos limites da curva LVRT após tolerância de duração de falta, ou seja,

atuação da proteção durante faltas de grande duração – Situação 2;

59


Tensão abaixo dos limites da curva LVRT durante a falta, ou seja, mesmo a falta du-

rando o tempo permitido pela ONS (0,2 segundos), sua magnitude foi tal que ficou a-

baixo da curva de LVRT – Situação 3.

Nesta situação será avaliada a continuidade do sinal BRK em condição de uma falta de grande

intensidade e longa duração.

Na configuração desta falta foram acionados os 5 disjuntores da Figura 4.19, tendo sido

estabelecido a duração da falta no intervalo de tempo entre 3 a 5 segundos. A corrente irá per-

correr novamente um caminho de baixíssima impedância, assim como na situação 3, mas com

o diferencial que isto deve ocorrer durante 2 segundos. A Figura 4.26 mostra o afundamento

de tensão da situação 4.


Pode-se perceber que como na situação 3, a tensão demora aproximadamente 0,7 segundo a se

recuperar. Nesta situação o sinal deve manter a tendência de nível lógico 1. A figura 4.27

mostra a atuação do sinal de BRK no devido tempo em que a tensão eficaz manteve tendência

de ficar abaixo da curva LVRT.

60


Figura 4.25 – Nível lógico do BRK em 1 quando condição LVRT não é satisfeita na situação 4.

Considerando a filosofia de proteção utilizada nos casos anteriores, o aerogerador deve per-

manecer desconectado da rede num intervalo de 3,2 a aproximadamente 6,7 segundos (inclu-

indo tempo mínimo de 1 segundo para religamento do disjuntor).

Através deste caso, foi testada a ativação do sinal de BRK ao longo de 2 segundos e como po-

de ser visto no gráfico da Figura 4.25, ocorreu a correta ativação do disjuntor neste período,

considerando ainda o tempo de recuperação da tensão pós-falta.

4.5 – CONCLUSÃO

Neste capítulo foi realizada a simulação de um aerogerador sob condições de afunda-

mento de tensão. Quatro situações foram simuladas com o propósito de verificar a atuação da

proteção em condições distintas de afundamento de tensão. Nas quatro situações o que foi de-

nominado relé LVRT atuou de forma devida acionando a abertura do disjuntor através do si-

nal BRK em nível lógico igual a 1.

Em relação ao fechamento do disjuntor após a falta, neste trabalho é considerado que

mesmo com o sinal de BRK retornando à 0, indicando fechamento do disjuntor, o religamento

físico do disjuntor só ocorrerá de acordo com uma filosofia de proteção, onde após 1 segundo

de sinal BRK em 0 ocorrer o real fechamento do disjuntor.

61


Foram apresentados os resultados através de gráficos gerados pelo PSCAD, onde foi

possível averiguar a correta atuação do relé LVRT quando a tensão eficaz no PCC se encon-

trava abaixo da curva LVRT definida pela ONS.

62

CAPÍTULO 5 – Conclusão e Desenvolvimento Futuro

CAPÍTULO 5

CONCLUSÃO E DESENVOLVIMENTO FUTURO

5.1 - CONCLUSÃO

Neste trabalho é apresentado o programa computacional PSCAD/EMTDC com o propó-

sito de simular o comportamento da proteção de um sistema eólico em situação de afunda-

mento de tensão. O programa mostra a atuação do relé de acordo com a tensão nos terminais

do aerogerador, de forma que seus valores obedeçam à curva low voltage ride-through defini-

da pelo ONS.

O PSCAD/EMTDC possui uma biblioteca principal formada por vários blocos represen-

tativos, ao mesmo tempo em que permite uma fácil construção de novos componentes e fun-

cionalidades através de blocos lógicos, como no caso da construção do relé responsável por

enviar o sinal de trip mediante condição de violação de valores de referência de nível de a-

fundamento de tensão e de tempo, segundo estabelecido pelo ONS e aprovado pela Aneel.

Foram descritos de forma breve os sistemas elétricos de alguns dos principais países que

utilizam a tecnologia de geração eólica, assim como dois dos requisitos principais de operação

de plantas eólicas conectadas ao sistema elétrico, suportabilidade a afundamento de tensão e

variação de freqüência da rede. Dentre estes países encontram-se Alemanha, Portugal, Dina-

marca e Brasil. Dentre os analisados foi possível perceber que a Alemanha apresenta maior

rigor no que diz respeito aos requisitos de suportabilidade de aerogeradores a afundamentos

de tensão, tendo em vista que esta exige a suportabilidade de queda de tensão de até 100 %

durante 0,15 segundos. Outro ponto a ser destacado é que os requisitos de afundamento de

tensão no Brasil, os quais são aplicáveis apenas ao sistema de transmissão e não ao sistema de

distribuição, o que denota flexibilidade nas exigências de conexão de aerogeradores ao nosso

sistema elétrico.

Por fim foi realizada a simulação do estudo de caso no programa PSCAD/EMTDC. O

sistema montado é composto basicamente por duas partes: O sistema elétrico que foi disponi-

bilizado no site do PSCAD e o bloco lógico que representa o relé que acionará a proteção do

aerogerador. Para testar a lógica implementada no diagrama de blocos foram realizadas simu-

lações com quatro situações distintas e em todas foi possível observar a atuação devida do

bloco quando a tensão se encontrou abaixo da curva LVRT. A simulação das quatro situações

tem como propósito colocar sob prova a lógica do relé em situações onde a falta varia em

63

CAPÍTULO 5 – Conclusão e Desenvolvimento Futuro

tempo de ocorrência e em sua magnitude. Os resultados se mostraram satisfatórios de modo

que a lógica desenvolvida no relé foi implementada com sucesso.

5.2 - DESENVOLVIMENTO FUTURO

Um próximo passo para este trabalho é a implementação de um contador de tempo na

situação em que a tensão nominal esteja abaixo da curva LVRT, ou seja, o sinal de trip ser

enviado após a tensão na entrada do aerogerador se encontrar abaixo da curva após determi-

nado período de tempo. Desta forma o funcionamento do relé estará restrito a afundamentos

de tensão consideráveis, e não suscetível a qualquer variação brusca e rápida de tensão.

Outro desenvolvimento interessante é a análise da reação do sistema sob diversos tipos

de curto-circuitos (monofásico-terra, bifásico entre fases, bifásico-terra, trifásico entre fases,

trifásico-terra) e comparar o nível de afundamento de tensão que ocorre nos terminais da plan-

ta eólica. Ainda, outra opção interessante é aumentar a complexidade do sistema adicionando

cargas de outras naturezas em outros pontos do sistema e verificar a reação do PCC com a o-

corrência de curto-circuito em outros pontos do sistema.

A realização da simulação do mesmo sistema no PSCAD e com outros simuladores é

outra possibilidade para comparar o desempenho das diversas ferramentas computacionais

para um mesmo sistema.

64

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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