2.2 Conexão dos Parques Eólicos à Rede Elétrica
2.2.1 Representação do Modelo de Parque Eólico para Estudos Computacionais
Os parques eólicos terrestres, em foco nesse trabalho, são formados por aero- geradores individuais que geralmente apresentam potências de 2 a 3 MW, tensão terminal de 0,69 kV, com transformadores individuais para elevação da tensão e conexão com a rede interna do parque. Os aerogeradores são interligados geralmente por cabos subterrâ- neos que formam uma rede interna no nível de média tensão, como por exemplo 34,5 kV (SENA et al.,2015; SOHN, 2014). A formação de um complexo eólico se dá pela conexão das redes internas de diferentes parques eólicos e, assim, formam uma rede coletora em média tensão que se conectam ao sistema de transmissão no ponto de acoplamento comum (PAC) por meio de um transformador elevador para nível de transmissão com valores tí- picos de 138 kV, 230 kV ou 500 kV. A Figura 2.4mostra um exemplo de diagrama unifilar simplificado de vários parques eólicos que formam um determinado complexo eólico, que é conectado ao sistema de transmissão. A barra A é conectada ao Sistema Interligado Nacional (SIN) e a barra B apresenta a conexão de uma carga.
A modelagem do parque eólico depende do propósito da pesquisa ou estudo. Para análises internas do parque, tais como curto-circuitos internos, análise de desem- penho de turbinas específicas, análise do comportamento aleatório do perfil dos ventos sobre os aerogeradores e outras análises, cujo objetivo é o estudo da influência individual de um aerogerador ou estudo das condições internas do parque, pode ser utilizado um modelo detalhado para a representação do parque. Para isso é necessário a representação dos seguintes componentes: a turbina, o gerador, capacitores, transformadores, sistema de
Parque Eólico A
Parque Eólico N Complexo Eólico
Barra A PAC Barra B
Figura 2.4 – Representação do diagrama unifilar de um complexo eólico. Fonte:(SENA et al., 2015)(Adaptado).
proteção interna e rede elétrica coletora. Esse modelo também pode ser usado para estudar a resposta do parque para análises externas envolvendo estudos dinâmicos e transitórios. Porém, quando o parque ou complexo eólico contém um elevado número de aerogerado- res, a simulação se torna inviável computacionalmente. Assim é importante o estudo de outras formas de representação do parque eólico (ACKERMANN, 2005; AKHMATOV,
2003;FERNÁNDEZ et al., 2009).
Para reduzir a complexidade das simulações do modelo detalhado dos com- ponentes internos do parque, modelos equivalentes são propostos (AKHMATOV, 2003;
FERNÁNDEZ et al., 2009; NEVES, 2014) para estudar a resposta coletiva dos parques eólicos conectado ao sistema elétrico de potência. Um modelo equivalente que pode ser utilizado é o modelo dinâmico simplificado em que diversos aerogeradores dos mesmos tipos são agregados em um único aerogerador que é redimensionado para representar a potência do parque eólico. Nesse caso, é possível estudar apenas um perfil de vento que é o equivalente do que todos os aerogeradores trabalham. Para casos de parques muito grandes a característica principal é que nessa representação do vento não há variações muito bruscas na velocidade (FERNÁNDEZ et al.,2009).
O modelo agregado para parques em que os aerogeradores estão sob perfis de vento diferentes é apresentado em (SLOOTWEG; KLING, 2003), onde é usado um mo- delo dinâmico simplificado de cada aerogerador que recebe um perfil de vento diferente e o parque é representado pela união desses modelos de aerogeradores. Esse caso tam- bém é indicado para parques que se deseja representar no modelo equivalente, porém há diferentes tecnologias de aerogeradores (diferentes fabricantes).
Nesse trabalho, como o intuito é estudar a integração de um grande sistema eólico operando no modo de controle de tensão ao sistema de potência, pode-se utilizar apenas o modelo de um aerogerador para representar o parque. Portanto, seguindo essas premissas, o modelo dinâmico simplificado com o redimensionamento da potência do aerogerador individual para presentar todo o parque é utilizado. Consequentemente, o parque é formado por turbinas do mesmo tipo, com mesmas estratégias de controle e que experimentam a mesma velocidade do vento (NEVES, 2014).
Na topologia utilizada nessa pesquisa há um detalhamento maior da repre- sentação do modelo do aerogerador do Tipo 4, com a representação da modelagem da turbina, gerador de ímãs permanentes, conversores e seus respectivos controles, filtros, transformador interno e componente de escala para representar o parque eólico. Para a rede externa foi utilizada uma representação mais simplificada, sendo formada pelo trans- formador elevador que conecta o parque ao sistema elétrico na barra do PAC, linha de transmissão e equivalente de Thévenin do sistema elétrico.
2.2.2
Desafios da Conexão de Parques Eólicos com a Diminuição da Força
da Rede
Devido ao aumento da integração de fontes com baixa inércia mecânica não despacháveis no SIN, a rede elétrica está se tornando menos forte. A força de uma rede é determinada por sua impedância e sua inércia mecânica, isto é, pela energia cinética armazenada nas partes rotativas dos geradores presentes na mesma. Como consta em (ACKERMANN,2005;GÖKSU,2012;HEIER,2014;ZHANG et al.,2014), a força de uma rede, ou uma barra específica, pode ser representada por sua capacidade de curto-circuito1
(Short-Circuit Capacity - SCC), que está relacionada com a quantidade de potência para uma falta franca nessa barra. O SCC é calculado seguindo a Equação 2.1.
Onde:
∙ 𝑉𝑟𝑒𝑑: Tensão nominal da rede elétrica onde o parque está conectado;
∙ 𝑍𝑟𝑒𝑑𝑒: Impedância equivalente de sequência positiva da rede vista do PAC.
𝑆𝐶𝐶 = (𝑉𝑟𝑒𝑑𝑒2 )/(𝑍𝑟𝑒𝑑𝑒) (2.1)
Para verificar a força de uma barra onde haverá a integração de um parque eólico é comum utilizar a relação de curto-circuito (Short-Circuit Ratio – SCR). O SCR de uma barra consiste na relação entre o SCC no barramento relacionado e a potência 1 No presente trabalho o SCC se refere a capacidade curto-circuito trifásico
nominal do parque (𝑆𝑃 𝐸) conectado neste barramento, representado pela Equação 2.2.
Nesse trabalho o valor do SCR é referido à barra do PAC.
𝑆𝐶𝑅 = 𝑆𝐶𝐶/𝑆𝑃 𝐸 (2.2)
Quando a rede elétrica é vista de um barramento ela pode ser representada pelo seu equivalente de Thévenin, como na Figura 2.5. Além da representação do equivalente, essa figura mostra a perda de força da barra 1 devido à substituição da geração conven- cional (SG2 e SG4) pela geração eólica, passando de um SCR de 10 para 5 (GÖKSU,
2012). P Rede Vizinha Representada Pelo Equivalente de Thévenin Linha de Transmissão Parque Eólico Agregado como Único Aerogerador Linha de Transmissão Outros Parques Outros Parques PAC PAC
Figura 2.5 – Representação da conexão do parque eólico com a rede externa. Fonte: (GÖKSU,2012) (Adaptado).
É importante destacar que o SCR não indica a força de um sistema elétrico. Um sistema com diversos sistemas de geração convencional, parques eólicos, linhas de transmissão e sistemas de compensação de reativo, apresenta diferentes valores de SCR para cada barra analisada.
Contudo, devido às considerações adotadas nessa pesquisa em que o sistema elétrico está sendo representado por um único equivalente, a utilização do valor do SCR como parâmetro para definição de força é uma boa aproximação, (GOLIEVA, 2015). As-
sim, apesar dos termos “Rede Fraca” e “Barra com baixo SCR” apresentarem significados diferentes, é possível aproximar as definições e concluir que SCR definirá a força da rede sob estudo. Tal força indica que a rede apresenta a capacidade de manter sua tensão para variações no fluxo de potência reativa que passa pela mesma. Portanto, para uma mesma variação no fluxo de potência reativa, uma rede com maior SCR apresentará menor variação de tensão do que uma rede com um SCR menor.
Alguns estudos apresentam a definição de “Nível de Penetração de Geração Eólica”. Um sistema com 15% ou mais de penetração de geração eólica é considerado com um sistema de alta penetração eólica. Por muitos anos foi considerado que um sistema elétrico não deveria ter uma penetração de geração eólica maior do que 30%, mas muitos sistemas hoje em dia operam com segurança com fatores de penetração maiores do que 50% (GOLIEVA, 2015).
Outro parâmetro importante é ângulo de impedância de curto-circuito, que é o ângulo da impedância de sequência positiva do equivalente visto da barra, que pode ser obtido da Equação 2.3, onde 𝑋𝑐𝑐 é a reatância e 𝑅𝑐𝑐 é a resistência da impedância
(ROSAS; ESTANQUIERO, 2003). Esse ângulo afeta a resposta da variação da tensão
com a injeção de potência ativa. No presente trabalho, as análises são feitas tratando apenas a influência da relação X/R, e não a denominação de ângulo de impedância de curto-circuito.
Ψ𝑐𝑐 = 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑎𝑛(𝑋𝑐𝑐/𝑅𝑐𝑐) (2.3)
A fim de garantir a operação estável do parque eólico é necessário que algumas questões sejam identificadas, tais como (ZHOU et al.,2013):
∙ Qual o menor valor para o SCR de modo que o parque eólico ainda possa ser conectado à rede respeitando os códigos de rede?
∙ Quais são os principais problemas a serem enfrentados quando o parque eólico está conectado a uma rede fraca no estudo pretendido?
∙ Como o desempenho do parque eólico pode ser melhorado para resolver os problemas identificados?
Para o valor do SCR, como exemplo, o código dinamarquês (ENERGINET.DK,
2016) sugere que seja de 10 para ser utilizado para estudos do sistema elétrico. Esse valor torna o sistema muito forte, mas em certas circunstâncias, dependendo das características da rede e da crescente instalação de fontes renováveis, pode ser necessário considerar valores menores, (PIWKO et al., 2007; RASMUSSEN; JØRGENSEN, 2005). Segundo (GÖKSU, 2012), o código alemão afirma que o valor de SCR deve ser maior do que 6
antes e depois da ocorrência de uma falta para que se garanta a operação como uma rede forte. Em (GOLIEVA,2015) cita que uma rede muito forte é definida com um SCR maior do que 7, e desse modo não há problemas para a operação. Já para os valores que definem uma rede fraca, segundo (GÖKSU, 2012; GOLIEVA, 2015), é apresentado um valor SCR igual ou menor do que 3. Em (DIEDRICHS et al.,2012) é dito que uma rede pode ser considerada fraca se apresentar SCR menor do que 4, e considerada como crítica se apresentar SCR menor do que 2.
Tendo em vista as diferentes definições encontradas na literatura, não é possível estabelecer um valor limite para o SCR, podendo o mesmo variar de acordo com as características da rede onde o parque eólico está conectado e as determinações do código de rede vigente. No caso do Brasil não há definição no PR sobre redes fracas no que tange aos requisitos da integração da geração eólica ao SIN.
No que diz respeito aos desafios impostos pela baixa relação de SCR, diversos trabalhos analisam as consequências da integração da geração eólica a redes fracas, como
(FAN, 2018; MULJADI et al., 2007; RASMUSSEN; JØRGENSEN, 2005; ZHOU et al.,
2013). Dentre os principais problemas enfrentados por uma rede fraca estão a significativa variação de tensão em função da injeção de potência ativa e reativa, recuperação lenta do sistema após uma falta e problemas de estabilidade de diferentes tipos. Pode-se constatar também que o desempenho do controle dos aerogeradores diminui com a redução da força da rede no PAC.
As soluções encontradas na literatura para a conexão do parque eólico à rede elétrica consideradas fracas envolvem reforço da rede no local de conexão do parque eólico, utilização de dispositivos eletrônicos como STATCOM, instalação de compensadores sín- cronos e, principalmente, mudanças e ajustes nas estratégias de controle quando se trata dos modelos de aerogeradores do Tipo 4 (GOLIEVA,2015). A escolha do melhor método envolve, também, conhecer as características da rede elétrica onde o parque eólico está conectado e os problemas enfrentados em relação ao código de rede (DIEDRICHS et al.,
2012;HUANG et al.,2012; SANG et al., 2019;ZHOU et al., 2013).
Tendo em vista as definições apresentadas, é possível determinar que uma rede pode se tornar fraca quando (GÖKSU,2012):
∙ A linha possuir alta impedância e/ou não estiver conectada a redes vizinhas fortes; ∙ O sistema de energia se tornar altamente baseado em geração de energias renováveis,
substituindo as fontes convencionais;
∙ O parque eólico for conectado a uma região com barramentos fracos;
∙ A área onde os recursos eólicos forem favoráveis para geração estiver longe dos centros de carga, então há necessidade de conectar o sistema gerador através de
uma linha de transmissão longa;
∙ Além disso, se o parque eólico tiver alta impedância interna (transformadores e rede de coletores), o SCC torna-se ainda mais baixo nos terminais do gerador eólico. Esse fato é particularmente mais presente em parques marinhos.
O comprimento das linhas de transmissão que são utilizadas para conectar o parque eólico ao sistema elétrico de potência é um parâmetro a ser levado em consideração nas análises de força de uma rede, pois apresenta uma grande contribuição para a impe- dância equivalente do sistema visto do PAC que não deve ser desprezado, principalmente para linhas mais longas. Neste caso, o efeito de uma baixa relação de SCR é agravado pelas capacitâncias transversais das linhas de transmissão.
Como a potência reativa produzida pelas capacitâncias é proporcional ao qua- drado da tensão, uma queda de tensão no sistema exige mais potência reativa injetada para recuperar a tensão. Adicionalmente, a potência reativa para controle de tensão varia de acordo com o carregamento da linha. Desse modo é possível concluir que a capacitân- cia da linha pode trazer instabilidade para alguns casos de conexão do parque eólico ao sistema com baixo SCR (GOLIEVA,2015).
Nesse ponto, é imperativo destacar que outras relações para estimar a força da rede onde o parque eólico está conectado podem ser encontrados na literatura e são variações do cálculo do SCR. Outras relações, como o ESCR (Effective Short-Circuit Ratio - Relação de Curto-circuito Efetivo), OSCR (Operating Short-Circuit Ratio - Relação de Curto-circuito de Operação) e QESCR ( Q Effective Short-Circuit Ratio - Relação de Curto-circuito com Q Efetivo). As relações ESCR e QESCR consideram o efeito da potência reativa no valor do SCR, já o OSCR considera as variações na potência SCC da rede e da potência efetiva de operação do parque eólico durante a operação do sistema (IEEE; SOCIETY, 1997).
Já o WSCR (Weighted Short-Circuit Ratio), utilizado para mensurar a força do sistema quando parques eólicos estão conectados eletricamente próximos e, desta ma- neira, podem interagir uns com os outros, sendo visto pela rede como uma única unidade (ZHANG et al.,2014). Porém, nesse trabalho tais definições não serão utilizadas porque o SCR já atende às necessidades da análise, em decorrência das premissas adotadas e já apresentadas para modelagem do sistema teste.
2.2.3
Impactos Provocados Sobre o Planejamento e a Operação dos Sistemas
elétricos
Devido às características que tornam a fonte da geração eólica não despachável (impossibilidade de programar sua geração), a crescente utilização dessa fonte implica em
efeitos diretos sobre os aspectos do planejamento e operação do sistema, tais como o controle dos níveis de tensão devido à oscilação de potência aparente provocada pela intermitência do vento, o carregamento das linhas de transmissão, as perdas elétricas e as questões em relação à estabilidade do sistema (NEVES, 2014;SENA et al., 2015).
Quanto maior for a inserção dessa geração na matriz elétrica, maior será o nível de imprevisibilidade e variabilidade adicionada ao sistema, o que requer um maior nível de recursos flexíveis do sistema elétrico. É entendido como recurso flexível aqueles recursos que fornecem ao sistema a capacidade de adaptação no menor tempo (e custo) possível para os diferentes balanços entre consumo e geração. Portanto, para que haja um melhor aproveitamento da fonte intermitente, é necessário que no planejamento do sistema elétrico sejam disponibilizados recursos que possam ser utilizados pelo operador quando necessário, como água armazenada em reservatórios de hidrelétricas, geração tér- mica flexível, sistemas de controle de demanda, intercâmbio de geração entre diferentes regiões e outras possibilidades (CAVADOS, 2015).
Além dos efeitos citados acima, a imprevisibilidade e variabilidade dos ventos eleva o nível de incerteza para a programação da operação em curto prazo, demandando que decisões sejam tomadas em tempo real pelos operadores dos sistemas, com o intuito de manter o balanço entre geração-carga e níveis de tensão aceitáveis no sistema elétrico. No mundo, em geral, pelo fato da geração eólica ser renovável, a mesma possui prioridade de despacho em relação a outras fontes de energia. Isso sugere que deve ser aproveitada plena- mente a geração eólica instantânea que estiver disponível em cada intervalo de tempo e as demais fontes são despachadas de forma a complementar a demanda por energia, elevando a complexidade da programação da operação e a operação em tempo real (FIRMINO et
al., 2013; GUIMARÃES; NETO, 2008; RAMOS; VALENÇA; FILHO,2018).
Considerando o cenário do Brasil, além dos pontos mencionados acima, nos es- tudos sobre planejamento do sistema é necessário que se leve em consideração os reforços e a ampliação do sistema de transmissão. Estes recursos foram originalmente projetados para uma grande presença de geração despachável, e agora deve-se considerar as caracte- rísticas próprias da geração eólica, para que se possa fornecer confiabilidade e segurança para transmissão (EMPRESA DE PESQUISA ENERGÉTICA (EPE), 2016).