Capítulo 3 Metodologia
3.1. Plataforma de Simulação – Modelagem no SimPowerSystems
A plataforma utilizada foi o SimPowerSystem e as ferramentas disponíveis em
sua biblioteca e no Simulink/MATLAB. Esta plataforma trata-se de uma moderna
ferramenta de projeto que permite a engenheiros e cientistas modelarem e simularem,
rapidamente e facilmente, os sistemas de potência. Ela utiliza o próprio ambiente
Simulink/MATLAB (Hydro-Québec; Transénergie Technologies, 2015). Neste
ambiente, os modelos existentes na biblioteca do próprio MATLAB, modelos
disponibilizados por Salles (2007) e os modelos criados durante o desenvolvimento
deste trabalho são apresentados.
3.1.1. Gerador Síncrono
O gerador síncrono distribuído foi simulado utilizando o modelo de máquina
síncrona Synchronous Machine pu Standard, disponível na biblioteca do
SimPowerSystems do MATLAB conforme Figura 3.1, sendo Pm a entrada do controle
de velocidade, Vf a entrada do controle de excitação, m a saída das variáveis internas
do gerador síncrono e A, B e C as saídas das fases do gerador. A parte elétrica do
bloco é representada por um modelo de oitava ordem (Hydro-Québec; Transénergie
Technologies, 2015). Os parâmetros das máquinas de cada estudo de caso estão
disponíveis no Apêndice A.
Figura 3.1: Bloco do gerador síncrono utilizado nas simulações – Synchronous Machine
Fonte: (Hydro-Québec; Transénergie Technologies, 2015)
3.1.2. Controle de Excitação - AVR
O controle de excitação do gerador síncrono foi simulado utilizando o modelo
IEEE type DC1A previsto em IEEE 421 Standard (2005), disponível na biblioteca do
SimPowerSystems do MATLAB conforme Figura 3.2, sendo Vref a entrada da
referência de tensão, Vt tensão terminal da máquina, Vstab a entrada de uma tensão
de estabilização e Efd a saída da tensão de campo. Os ajustes dos ganhos e
constantes de tempo do regulador de tensão estão disponíveis no Apêndice A.
Inicialmente, foi testado o modelo de excitatriz IEEE tipo 1 do próprio
SimPowerSystems. Porém, muitas inconsistências foram encontradas e optou-se pela
substituição pelo modelo IEEE tipo DC1A cujos resultados foram mais coerentes com
o esperado.
Figura 3.2: Bloco do controle de excitação utilizado nas simulações – IEEE type DC1A do
SimPowerSystems
3.1.3. Controle de Velocidade
Neste trabalho desconsiderou-se o controle de velocidade, visto que o objetivo
é analisar o comportamento do sistema de geração distribuída em tempos pequenos
quando comparados aos tempos de resposta das turbinas e seus reguladores de
velocidade, pois a duração das simulações foi de 1 segundo. Desta forma, a entrada
Pm da máquina síncrona foi aplicada conforme resultado do fluxo de potência
determinado para cada simulação através de uma variável constante do
SimPowerSystem do MATLAB.
3.1.4. Transformador
Nas simulações, o transformador de potência, aplicado para elevação de tensão
dos geradores síncronos distribuídos ao nível de tensão da distribuição, foi
representado pelo modelo de dois enrolamentos Three-Phase Transformer (Two
Windings) disponível na biblioteca do SimPowerSystems do MATLAB, conforme
Figura 3.3, sendo A, B e C os terminais do enrolamento 1 e a, b e c os terminais do
enrolamento 2. Os parâmetros do modelo estão disponíveis no Apêndice A.
Figura 3.3: Bloco do transformador de potência utilizado nas simulações – Three-Phase Transformer
(Two Windings) do SimPowerSystems
Fonte: (Hydro-Québec; Transénergie Technologies, 2015)
3.1.5. Cargas Elétricas
As cargas do sistema de distribuição foram simuladas utilizando o modelo de
carga estática, conforme Kundur (1994) e Hydro-Québec; Transénergie Technologies
(2015). Na biblioteca do SimPowerSystems do MATLAB há o modelo Three-Phase
Dynamic Load, que foi aplicado neste trabalho, conforme Figura 3.4, sendo A, B e C
as entradas das fases da fonte de alimentação e m a saída das variáveis internas da
carga.
Os parâmetros deste modelo são os expoentes np e nq, conforme (3.1) e (3.2),
em que np e nq iguais a 0, 1 ou 2, representam as características potência constante,
corrente constante e impedância constante, respectivamente.
P = P . V
V (3.1)
Q = Q . V
V (3.2)
Figura 3.4: Bloco de carga estática utilizado nas simulações – Three-Phase Dynamic Load do
SimPowerSystems
Fonte: (Hydro-Québec; Transénergie Technologies, 2015)
Como o objetivo maior deste trabalho é analisar a detecção de ilhamento por
meio de funções de proteção de técnicas passivas, o tipo de carga tem um forte
impacto nos resultados, visto que a frequência elétrica varia em função do desbalanço
de potência ativa entre a geração e a carga (Kundur,1994).
Carga do tipo impedância constante (np=nq=2) representa uma dependência
maior da potência absorvida pela carga (P, Q) da tensão da rede (V). Quando ocorre
um ilhamento com déficit de geração, a tendência é de subtensão. Logo, a potência
absorvida pela carga (P, Q) será menor (V/V
0)² vezes do que a potência nominal (P
0,
Q
0). Neste cenário, o desbalanço de potência será menor do que o esperado em
relação a potência demandada pré-ilhamento. Para o caso de um ilhamento com
excesso de geração, a tendência é de sobretensão. Logo, a potência absorvida pela
carga (P, Q) será maior (V/V
0)² vezes do que a potência nominal (P
0, Q
0). Neste
cenário, o desbalanço de potência será menor do que o esperado em relação a
potência demandada pré-ilhamento. Portanto, os relés baseados em frequência serão
afetados negativamente, tendo seu desempenho prejudicado.
Carga do tipo corrente constante (np=nq=1) apresenta o mesmo comportamento,
porém, com um menor impacto da variação da tensão V/V
0, que irá impactar de forma
mais suave na potência absorvida pela carga (P, Q). Já para carga do tipo potência
constante (np=nq=0), como o próprio nome diz, a tensão da rede não influencia a
potência absorvida pela carga (P=P
0,Q=Q
0) que é constante.
Então, pode-se afirmar que simulações que utilizam cargas do tipo impedância
constante apresentam resultados mais conservadores em comparação com as
demais. Logo, será utilizado neste trabalho o modelo de impedância constante para
as simulações.
3.1.6. Linha de Distribuição
As linhas de distribuição foram representadas pelo modelo de linha de
transmissão Three-Phase Pi Section Line disponível na biblioteca do
SimPowerSystems do MATLAB, conforme Figura 3.4. Os parâmetros ajustados foram
calculados pela ferramenta Compute RLC Line Parameters do PowerGui do
Simulink/MATLAB para uma rede de 3 fios e resistividade do solo de 100 Ω.m.
Figura 3.5: Bloco da linha de distribuição utilizado nas simulações – Three-Phase Pi Section Line do
SimPowerSystems
Fonte: (Hydro-Québec; Transénergie Technologies, 2015)
3.1.7. Relé de Salto de Vetor – ANSI 78
O modelo do relé de salto de vetor utilizado nas simulações deste trabalho foi
criado utilizando os blocos funcionais disponíveis na biblioteca do SimPowerSystems
do MATLAB. O salto vetorial é detectado através da verificação da diferença entre
períodos de ciclos consecutivos de fase de tensão para a rede elétrica. Quando houver
uma diferença angular (salto) nos vetores de tensão acima do valor especificado no
ajuste da função de proteção é gerado um sinal de TRIP. O valor da diferença angular
entre dois ciclos consecutivos é calculado convertendo o tempo medido em graus na
base de 60 Hz. O modelo simplificado do relé salto de vetor está apresentado na
Figura 3.6.
Figura 3.6: Modelo do relé de salto de vetor – ANSI 78
|Δδ|
em graus >
E t Salto de TRIP
Vetor
VFASE >
α
Ajuste do relé
V
M ÍNTensão de Mínima
de Operação
tset
Temporização
Vab c TRIP SV
ANSI 78
Fonte: Próprio autor
3.1.8. Relé Direcional de Potência Reativa – ANSI 32Q
Para este trabalho foi criado o modelo do relé direcional de potência reativa.
Trata-se de um relé relativamente simples, onde a potência reativa é medida na saída
do gerador síncrono. Se a potência medida for superior ao limite ajustado em Q
EXPORTe se a direcionalidade foi no sentido exportação, ou seja, gerador fornecendo reativo
ao sistema, um sinal de TRIP é enviado para abertura do disjuntor, conforme Figura
3.7.
A polarização do relé 32Q é definida pela comparação angular da corrente e
tensão de saída do gerador síncrono. A direcionalidade será “exportação”, ou seja,
gerador fornecendo reativo ou fator de potência indutivo, quando o ângulo entre a
tensão e corrente foi inferior a 90°, caso contrário, a direcionalidade será “importação”,
ou seja, gerador consumindo reativo ou fator de potência capacitivo.
Figura 3.7: Modelo do relé direcional de potência reativa – ANSI 32Q
Q
MEDIDOem kVAr >
E t TRIP32Q
Direcionalidade
Exportação
Q
EXPORTAjuste do relé
t
setTemporização
Iabc
TRIP 32Q
ANSI 32Q
Vabc
Fonte: Próprio autor
3.1.9. Relé de Sobre e Sub Frequência – ANSI 81 o/u
O modelo do relé de sub e sobrefrequência (ANSI 81 o/u) desenvolvido em
Salles (2007) foi utilizado neste trabalho para avaliar esta função de proteção. Este
modelo se baseia na medição da frequência do sistema por meio de medições de
passagens por zero da tensão da conexão da GD ao sistema de distribuição. Para o
relé de subfrequência (ANSI 81 u), quando a medição for menor que o ajuste de TRIP,
um sinal de disparo de atuação será ativado. Já o relé de sobrefrequência (ANSI 81
o) enviará um sinal de disparo quando a medição da frequência da rede superar o
ajuste de TRIP. O modelo ainda utiliza um bloqueio de atuação por subtensão, que
serve para o caso de um afundamento de tensão devido a um curto-circuito. A Figura
3.8 apresenta o modelo simplificado do relé.
Figura 3.8: Modelo do relé de sobre e sub frequência – ANSI 81 o/u
f
em Hz
<
OU
>
f
MÍNAjuste do relé
E t 81 o/uTRIP
V
FASE>
V
M ÍNTensão de Mínima
de Operação
t
setTemporização
f
MÁXAjuste do relé
Vab c TRIP 81uANSI 81 o/u
TRIP 81o3.1.10. Relé de Taxa de Variação de Frequência – ANSI 81 df/dt
O relé ROCOF (Rate of Change of Frequency ou ANSI 81 df/dt) foi modelado
utilizando como referência Salles (2007) que utilizou da derivada da frequência elétrica
calculada a partir de medições de passagens por zero da tensão. Assim como o relé
81 o/u, o modelo possui um bloqueio de atuação por subtensão, que serve para o relé
não atuar indevidamente para o caso de um afundamento de tensão devido a um
curto-circuito. A Figura 3.9 apresenta o modelo simplificado aplicado nas simulações
deste trabalho.
Figura 3.9: Modelo do relé de taxa de variação de frequência – df/dt
f
em Hz >
E
V
MÍNAjuste do relé
t TRIP
ROCOF
t
setTemporização
d
dt
V
FASE>
V
M ÍNTensão de Mínima
de Operação
Vab c TRIP RFANSI 81 df/dt
Fonte: Próprio autor
No documento
Igor Lopes Mota. Análise de Alternativas de Proteção Anti-Ilhamento de. Geradores Síncronos Distribuídos
(páginas 61-68)