4.2. Resultados do sistema teste de 16 barras modificado
4.2.2 Patamar de carga 2 com geração fotovoltaica de 54,4 MVA
de potência, ou seja, 0º e 45º, percebe-se que houve uma variação pouco significativa. De qualquer forma, é notório que a inserção da geração fotovoltaica possibilitou perdas menores em relação ao sistema sem a sua presença.
Os despachos dos geradores também apresentaram os resultados esperados com as variações do fator de potência no inversor. Os despachos reativos dos geradores 1 e 2 apresentaram uma redução, já que a potência reativa injetada pelo gerador fotovoltaico é aumentada. Por outro lado, no caso do despacho ativo do gerador 2, os seus valores cresceram a cada diminuição do fator de potência, devido à geração fotovoltaica contribuir menos com o fornecimento de potência ativa ao sistema.
Em ambas as situações de despacho ativo e reativo, fica claro que a inserção do gerador fotovoltaico possibilitou a redução da influência dos geradores existentes na rede, sendo visto pelo sistema como uma fonte adicional e cooperadora no atendimento às cargas e à regulação das tensões.
Tabela 23 - Módulos de tensão das barras do sistema teste de 16 barras, no patamar de carga 2, em função do ângulo do FP da geração fotovoltaica de 54,4 MVA
Barra
Sistema sem inversores
Ângulo do fator de potência dos inversores
0° 5° 10° 15º 20º 25º 30° 35º 40º 45º
1 1,030 1,030 1,030 1,030 1,030 1,030 1,030 1,030 1,030 1,030 1,030 2 1,050 1,051 1,051 1,050 1,049 1,048 1,047 1,046 1,044 1,044 1,043 3 1,059 1,062 1,061 1,058 1,056 1,053 1,050 1,048 1,044 1,043 1,041 4 1,022 1,022 1,021 1,021 1,021 1,021 1,021 1,016 1,021 1,016 1,021 5 1,031 1,031 1,030 1,030 1,030 1,030 1,030 1,027 1,030 1,027 1,030 6 1,034 1,033 1,033 1,033 1,033 1,033 1,033 1,032 1,033 1,032 1,033 7 1,035 1,035 1,034 1,034 1,034 1,034 1,034 1,033 1,034 1,033 1,033 8 1,033 1,032 1,030 1,030 1,030 1,030 1,030 1,030 1,030 1,030 1,028 9 1,010 1,010 1,010 1,010 1,010 1,010 1,010 1,010 1,010 1,010 1,010 10 1,083 1,095 1,091 1,082 1,073 1,064 1,055 1,046 1,036 1,028 1,026 11 1,082 1,091 1,088 1,081 1,074 1,067 1,060 1,054 1,045 1,040 1,037 12 1,073 1,080 1,078 1,07 1,068 1,064 1,059 1,056 1,050 1,047 1,044 13 1,071 1,077 1,075 1,071 1,066 1,061 1,057 1,053 1,047 1,044 1,042 14 1,030 1,031 1,030 1,030 1,030 1,030 1,030 1,030 1,030 1,030 1,029 15 1,065 1,068 1,067 1,064 1,061 1,058 1,055 1,055 1,050 1,050 1,046 16 1,030 1,030 1,030 1,030 1,030 1,030 1,030 1,030 1,030 1,030 1,030 17 - 1,095 1,088 1,076 1,064 1,053 1,041 1,030 1,018 1,007 1,003
Fonte: Elaboração própria.
Figura 36 - Variação das tensões nas barras do sistema teste de 9 barras com o fator de potência da geração fotovoltaica de 54,4 MVA, no patamar de carga 2
Fonte: Elaboração própria.
Tabela 24 - Total de perdas e despachos dos geradores do sistema teste de 16 barras, no patamar de carga 2, em função do ângulo do FP da geração fotovoltaica de 54,4 MVA
Grandeza
Sistema sem inversores
Ângulo do fator de potência dos inversores
0° 5° 10° 15º 20º 25º 30° 35º 40º 45º
Perdas Ativas
(MW) 4,2 3,8 3,8 3,8 3,8 3,7 3,7 3,7 3,7 3,9 3,9
Perdas Reativas (MVAr)
-612,6 -621,6 -620,0 -616,4 -612,6 -608,6 -604,6 -600,9 -596,2 -592,6 -590,9
Despacho ativo do gerador 1
(MW)
350,0 350,0 350,0 350,0 350,0 350,0 350,0 350,0 350,0 350,0 350,0
Despacho reativo do gerador 1 (MVAr)
-129,0 -138,4 -135,4 -127,9 -120,3 -112,7 -105,3 -101,6 -90,3 -87,0 -81,6
Despacho ativo do gerador 2
(MW)
125,2 70,4 70,6 71,2 72,1 73,5 75,3 77,6 80,1 83,1 86,3
Despacho reativo do gerador 2 (MVAr)
-14,0 -13,3 -11,7 -11,7 -11,7 -11,8 -11,8 -8,1 -11,9 -8,3 -10,8
Despacho ativo do compensador
(MW)
0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0
Despacho reativo do compensador
(MVAr)
-18,3 -17,5 -16,2 -16,2 -16,2 -16,2 -16,2 -16,2 -16,2 -16,2 -14,6
Despacho ativo do gerador/
inversor na barra 17 (MW)
- 54,4 54,2 53,6 52,5 51,1 49,3 47,1 44,6 41,7 38,5
Despacho reativo do gerador/
inversor na barra 17 (MW)
- 0 -4,7 -9,4 -14,1 -18,6 -22,9 -27,2 -31,2 -35 -38,5
Fonte: Elaboração própria.
Ao realizar a mudança do ângulo para 5°, as barras começam a diminuir suas tensões influenciadas pela inserção do novo gerador na barra 17, mas esse valor de fator de potência apresenta resultados insuficientes para a adequação do sistema, pois nenhuma barra sai da situação de violação de tensão. O inversor inserido está absorvendo o máximo de potência reativa da rede, limitada pela sua capacidade.
As barras começam a sair da situação de violação para o ângulo de 10º como é o caso da barra 2. Para o ângulo de 25º, o mesmo acontece com as barras 3 e 17. Dando continuidade à diminuição gradativa do fator de potência, no fator de potência correspondente ao ângulo de 30º, a barra 10 consegue assume um nível de tensão admitido pelo sistema. E, finalmente, no
ângulo próximo a 35º, conforme ilustrado na Figura 36 pela linha tracejada vertical, todas as barras restantes na zona de violação - as barras 11, 12, 13 e 15 - são retiradas desta condição.
Com o aumento dos ângulos do fator de potência de 35º até 45º, observou-se que as barras mantiveram a sua tendência de redução de tensão e se aproximaram mais do valor de 1 pu. Novamente, a nova barra 17 apresentou a maior taxa de redução ao variar o fator de potência.
Da mesma forma que o caso anterior, os resultados obtidos para os despachos ativos e reativos dos geradores existentes do sistema mostraram que o aumento do ângulo do fator de potência dos inversores reduz a necessidade de geração de reativos e aumenta a de potência ativa gerada, porém esta é menor do que a situação sem a presença da geração fotovoltaica.
No que diz respeito às perdas ativas totais, observou-se um comportamento análogo às situações de patamar de carga 2 para o sistema teste de 9 barras, cujos valores apresentam uma variação pouco significativa ao variar o fator de potência. No entanto, as perdas ativas sempre foram menores com a inserção do gerador fotovoltaico.
A Tabela 25 mostra os valores percentuais de redução máxima das perdas ativas do sistema teste de 16 barras, para ambos os patamares de carga, considerando o sistema sem geração fotovoltaica como referência e o menor valor determinado para as perdas, ao variar o fator de potência dos inversores.
Tabela 25 - Comparativo de perdas ativas totais do sistema teste de 16 barras Patamar de
carga
Perdas ativas totais (MW) Redução máxima (%) Sem inversores Com inversores
1 10,4 8,3 20,2
2 4,2 3,7 11,9
Fonte: Elaboração própria.
5 CONCLUSÃO
O presente trabalho buscou avaliar o impacto da inserção de um gerador fotovoltaico na regulação dos níveis de tensão das barras de sistemas de transmissão, a partir da variação do fator de potência dos inversores do sistema gerador. Para isso, foram realizados estudos de regime permanente baseados na análise de fluxo de potência em sistemas testes de 9 e 16 barras, com características do sistema de transmissão brasileiro, para diferentes condições de carregamento e capacidade de geração fotovoltaica.
Os resultados obtidos, por meio de simulações realizadas no programa ANAREDE do CEPEL, mostraram que a presença da usina fotovoltaica na rede melhora o perfil de tensão do sistema e, dependendo do valor de fator de potência parametrizado nos inversores, cumpre o seu objetivo de mantê-las dentro dos limites aceitáveis de operação. Portanto, foi comprovada a importância de uma parametrização apropriada do fator de potência dos inversores para permitir a operação adequada do sistema.
As simulações realizadas também mostraram que a inserção de uma geração fotovoltaica de maior capacidade, em termos de potência aparente, proporcionou um maior benefício para o controle de tensão das barras do sistema, tendo em vista que a potência reativa disponível para tal tarefa também será maior. Quanto maior for a capacidade de geração fotovoltaica, menor será o ângulo do fator de potência a partir do qual as tensões das barras deixam de ser violadas. Além disso, melhor será o perfil de tensão do sistema, pois as tensões estarão mais distantes dos seus limites de violação.
Constatou-se também que a existência da geração fotovoltaica, independentemente do fator de potência dos inversores, é suficiente para resultar em menores perdas ativas totais do sistema. No que diz respeito ao despacho dos geradores já existentes no sistema, percebeu-se que houve uma redução de suas influências na rede, já que a geração fotovoltaica é uma fonte complementar ao sistema.
Como propostas para trabalhos futuros, sugere-se a realização de um estudo para determinar a localização ótima e a capacidade instalada ideal do gerador fotovoltaico no sistema, bem como a inserção de duas ou mais unidades geradoras em outros pontos da rede de sistemas testes de maior porte, a fim de permitir um controle mais efetivo das tensões, menores perdas de energia e a influência mínima de reativos da geração fotovoltaica, para possibilitar
que a usina tenha mais liberdade de injeção de potência ativa na rede de transmissão para atendimento à demanda do sistema.
REFERÊNCIAS
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SÁ, Paulo Henrique Gomes; CRESPO, Polyana Ressinguier Soares Crespo. Alocação Ótima de Dispositivos Shunt em Sistemas de Transmissão de Energia Elétrica Utilizando Algoritmo Genético. Orientador: Marcelo José dos Santos. 2021, 150 f. TCC (Graduação) – Departamento de Engenharia Elétrica, Instituto Federal Fluminense campus Campos-Centro, Campos dos Goytacazes, 2021.
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ZANETTA JUNIOR, Luiz Cera. Fundamentos de Sistemas Elétricos de Potência. São Paulo:
Editora Livraria da Física, 2005.
ANEXO A – SISTEMAS TESTES DE TRANSMISSÃO BRASILEIROS
Os dados elétricos de barras, de linhas, de transformadores, de cargas, de máquinas e de equipamentos de controle de tensão dos sistemas testes de transmissão brasileiros de 9 e 16 barras, utilizados neste trabalho, estão detalhados a seguir.
A-1. DADOS DO SISTEMA-TESTE DE 9 BARRAS (STB-9) A-1.1. Dados de Barra
Nº Nome Tipo Tensão Faixa
Área
Max Min
1 Bar-1 Ger1 V 13,8 1,050 0,950 1
2 Bar-2 Ger2 PV 13,8 1,050 0,950 1
3 Bar-3 PQ 230 1,050 0,950 1
4 Bar-4 PQ 230 1,050 0,950 1
5 Bar-5 Car1 PQ 230 1,050 0,950 1
6 Bar-6 Car2 PQ 230 1,050 0,950 1
7 Bar-7 Car3 PQ 230 1,050 0,950 1
8 Bar-8 Car4 PQ 230 1,050 0,950 1
9 Bar-9 Car5 PQ 230 1,050 0,950 1
Coluna Descrição
Nº Número de identificação da barra.
Nome Nome de identificação da barra.
Tipo
Corresponde ao tipo de barra a ser representado nos dados de fluxo de potência, onde:
Tipo V =Barra de referência ou swing Tipo PV = Barra de tensão regulada ou de geração
Tipo PQ = Barra de carga
Tensão Tensão nominal de operação da barra, em kV.
Faixa Faixa de tensão correspondente aos níveis máximos e mínimos de tensão que a barra pode operar em regime permanente, em pu.
Área Número de identificação da área elétrica ou subsistema ao qual a barra pertence.
A-1.2. Dados de Linha Sequência Positiva e Negativa
De Para Nº Tensão R+ X+ B Cn Ce
3 5 1 230 1,7 9,2 15,8 200 220
3 8 1 230 1,0 8,5 17,6 200 220
4 6 1 230 0,85 7,2 14,9 200 220
4 7 1 230 0,9 7,9 16,2 200 220
5 7 1 230 3,2 16,1 30,6 200 220
6 8 1 230 1,1 8,4 25,6 200 220
7 9 1 230 1,19 10,08 20,9 200 220
8 9 1 230 3,9 17,0 35,8 200 220
COLUNA Descrição
De Número de identificação da barra de origem.
Para Número de identificação da barra de destino.
Nº Número de identificação do circuito.
Tensão Tensão nominal de operação do circuito, em kV.
R+ Resistência equivalente de seqüência positiva do circuito, em %.
X+ Reatância equivalente de seqüência positiva do circuito, em %.
B Susceptância shunt total do circuito, em MVAr.
Cn Capacidade de carregamento do circuito em condições normais de operação, em MVA.
Ce Capacidade de carregamento do circuito em condições de emergência, em MVA.
A-1.3. Dados de Transformadores Sequência Positiva e Negativa
De Para Nº RT Ligação Pot X+ Tap Faixa Min Max Pos 1 3 1 13,8/230 Delta/Estrela aterrado 300 5,34 1,0 1,0 1,0 1 2 4 1 13,8/230 Delta/Estrela aterrado 260 7,68 1,0 1,0 1,0 1
Coluna Descrição
De Número de identificação da barra de origem.
Para Numero de identificação da barra de destino.
Nº Número de identificação da unidade transformadora.
RT Relação de transformação da unidade transformadora, em kV.
Ligação Forma de ligação dos enrolamentos da unidade transformadora no sistema.
Pot Potência nominal da unidade transformadora, em MVA.
X+ Reatância equivalente de sequência positiva da unidade transformadora, em %.
Tap Valor definido do tape da unidade transformadora para operação em tape fixo, em pu.
Faixa Min Valor mínimo que o tape da unidade transformadora pode assumir para transformadores com variação automática de tape, em pu.
Faixa Max Valor máximo que o tape da unidade transformadora pode assumir para transformadores com variação automática de tape, em pu.
Coluna Descrição
Pos Número de posições entre tape mínimo e tape máximo para transformadores de tape variável.
X0 Reatância equivalente de sequência zero da unidade transformadora, em %.
A-1.4. Dados de Carga
Barra Nome Tensão Carga
MW MVAr
5 Bar-5 Car1 230 55 27
6 Bar-6 Car2 230 37 18
7 Bar-7 Car3 230 68 45
8 Bar-8 Car4 230 90 35
9 Bar-9 Car5 230 75 28
Total 325 153
A-1.5. Dados de Máquinas Geração de Potência Ativa (MW) Barra Nome Nº de
Máquinas
Geração Máxima por Máquina
Geração Máxima Total
1 Bar-1 Ger-1 1 250 250
2 Bar-2 Ger-2 1 200 200
Total 2 450
Geração e Absorção de Reativos das Máquinas (MVAr) Barra Nome Nº de
Máquinas
Absorção Geração
Por Máquina Total Por Máquina Total
1 Bar-1 Ger-1 1 122 122 122 122
2 Bar-2 Ger-2 1 96 96 96 96
Total 2 218 218
A-2. DADOS DO SISTEMA TESTE DE 16 BARRAS (STB-16)
A-2.1. Dados de Barra
Nº Nome Tipo Tensão Faixa
Área
Max Min
1 Gerador-1 PV 13,8 1,050 0,950 1
2 Barra-2 PQ 345 1,080 0,950 1
3 Barra-3 PQ 345 1,080 0,950 1
4 Barra-4 PQ 230 1,070 0,950 2
5 Barra-5 PQ 230 1,070 0,950 2
6 Barra-6 PQ 230 1,070 0,950 2
7 Barra-7 PQ 230 1,070 0,950 2
8 Barra-8 PQ 230 1,070 0,950 2
9 Síncrono PV 13,8 1,050 0,950 2
10 Barra-10 PQ 345 1,080 0,950 1
11 Barra-11 PQ 345 1,080 0,950 1
12 Barra-12 PQ 345 1,080 0,950 1
13 Barra-13 PQ 345 1,080 0,950 1
14 Barra-14 PQ 138 1,050 0,950 1
15 Barra-15 PQ 345 1,080 0,950 1
16 Gerador-2 V 13,8 1,050 0,950 2
Coluna Descrição
Nº Número de identificação da barra.
Nome Nome de identificação da barra.
Tipo
Corresponde ao tipo de barra a ser representado nos dados de fluxo de potência, onde:
Tipo V =Barra de referência ou swing Tipo PV = Barra de tensão regulada ou de geração
Tipo PQ = Barra de carga
Tensão Tensão nominal de operação da barra, em kV.
Faixa Faixa de tensão correspondente aos níveis máximos e mínimos de tensão que a barra pode operar em regime permanente, em pu.
Área Número de identificação da área elétrica ou subsistema ao qual a barra pertence.
A-2.2. Dados de Linha Sequência Positiva e Negativa
De Para Nº Tensão R+ X+ B Cn Ce
2 3 1 345 0,45 4,96 84,8 300 330
2 3 2 345 0,45 4,96 84,8 300 330
3 12 1 345 0,24 2,64 45,05 300 330
3 15 1 345 0,79 8,38 30,63 200 220
3 15 2 345 0,79 8,38 30,63 200 220
4 5 1 230 0,69 7,37 26,95 200 220
4 5 2 230 0,69 7,37 26,95 200 220
5 6 1 230 0,50 5,36 19,6 200 220
6 7 1 230 0,60 6,37 23,28 200 220
7 8 1 230 0,47 5,03 18,38 200 220
10 11 1 345 0,34 3,72 63,6 300 330
11 12 1 345 0,39 4,34 74,2 300 330
12 13 1 345 0,22 2,48 42,4 300 330
12 13 2 345 0,22 2,48 42,4 300 330
A-2.3. Dados de Transformadores Sequência Positiva e Negativa
De Para Nº RT Ligação Pot X+ Tap Faixa Min Max Pos 1 2 1 13,8/345 Delta/Estrela aterrado 260 3,0 1,0 1,0 1,0 1 1 2 2 13,8/345 Delta/Estrela aterrado 260 3,0 1,0 1,0 1,0 1 3 14 1 345/138 Estrela aterrado/Estrela
aterrado 165 8,33 * 0,90 1,10 21 9 8 1 13,8/230 Delta/Estrela aterrado 190 12,5 1,0 1,0 1,0 1 10 8 1 345/230 Estrela aterrado/Estrela
aterrado 260 10,0 * 0,90 1,10 21 15 4 1 345/230 Estrela aterrado/Estrela
aterrado 300 6,67 * 0,90 1,10 21 16 6 1 13,8/230 Delta/Estrela aterrado 150 5,0 1,0 1,0 1,0 1,0 16 6 2 13,8/230 Delta/Estrela aterrado 150 5,0 1,0 1,0 1,0 1,0 16 6 3 13,8/230 Delta/Estrela aterrado 150 5,0 1,0 1,0 1,0 1,0
Tabela das derivações de tapes em pu
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 0,90 0,91 0,92 0,93 0,94 0,95 0,96 0,97 0,98 0,99 1,00 1,01 1,02 1,03 1,04 1,05 1,06 1,07 1,08 1,09 1,10
Coluna Descrição
De Número de identificação da barra de origem.
Para Numero de identificação da barra de destino.
Nº Número de identificação da unidade transformadora.
RT Relação de transformação da unidade transformadora, em kV.
Ligação Forma de ligação dos enrolamentos da unidade transformadora no sistema.
Pot Potência nominal da unidade transformadora, em MVA.
X+ Reatância equivalente de sequência positiva da unidade transformadora, em %.
Tap Valor definido do tape da unidade transformadora para operação em tape fixo, em pu.
Faixa Min Valor mínimo que o tape da unidade transformadora pode assumir para transformadores com variação automática de tape, em pu.
Faixa Max Valor máximo que o tape da unidade transformadora pode assumir para transformadores com variação automática de tape, em pu.
Pos Número de posições entre tape mínimo e tape máximo para transformadores de tape variável.
X0 Reatância equivalente de sequência zero da unidade transformadora, em %.
A-2.4. Dados de Carga
Barra
Patamares de Carga
Pesada Média Leve
MW MVAr MW MVAr MW MVAr
3 47 31 41 26 26 16
4 106 70 90 60 58 39
5 31 20 26 17 16 11
6 17 12 14 10 10 7
7 15 14 14 12 9 8
8 39 24 33 21 21 13
10 42 30 35 25 23 16
11 40 28 34 23 22 15
12 101 56 86 47 56 31
13 59 34 51 29 33 19
14 57 39 48 33 32 21
Total 554 358 472 303 306 196
A-2.5. Dados de Equipamentos de Controle de Tensão
Capacitores Shunt
Barra Nome Tensão Nº Potência Total Manobrável
10 Barra-10 345 1 20 20 Sim
Total 1 20
Reatores Shunt
Barra Nome Tensão Nº Potência Total Manobrável
3 Barra-3 345 1 90 90 Sim
11 Barra-11 345 1 30 30 Sim
13 Barra-13 345 1 30 30 Sim
Total 3 150
Coluna Descrição
Barra Número de identificação da barra que o equipamento está conectado.
Nome Nome de identificação da barra que o equipamento está conectado.
Tensão Tensão nominal do equipamento, em kV.
Nº Quantidade de equipamentos.
Potência Potência nominal gerada por equipamento, em MVAr.
Total Potência total gerada, em MVAr.
Manobrável
Indica a existência ou não de disjuntor para chaveamento do equipamento, ou seja, se o equipamento é manobrável através de
disjuntor.
A-2.6. Dados de Máquinas
Geração de Potência Ativa (MW) Barra Nome Nº de
Máquinas
Geração Máxima por Máquina
Geração Máxima Total
1 Gerador-1 1 380 380
16 Gerador-2 3 126 378
Total 758
Geração e Absorção de Reativos das Máquinas (MVAr) Barra Nome Nº de
Máquinas
Absorção Geração
Por Máquina
Total Por Máquina
Total
1 Gerador-1 1 180 180 180 180
9 Síncrono 1 50 50 70 70
16 Gerador-2 3 60 180 60 180
Total 410 430