5. Simulações
5.2. Simulação dos estudos de solicitação de acesso
5.2.1.
Análise estática – Fluxo de potência
Para a simulação dos estudos de fluxo de potência do SEP da Figura 5.1, foi utilizado o programa computacional ANAREDE (versão 9.1.8) do CEPEL. Os dados de entrada que foram utilizados na simulação são os dados das barras e dados dos ramos apresentados na Tabela 5.2 e na Tabela 5.3, respectivamente.
Foram efetuadas simulações no SEP até obter uma solução do fluxo de potência convergente e sem violações. Duas situações foram simuladas: a primeira considerando o SEP sem a GD; e a segunda considerando a GD conectada à rede de distribuição. Em ambas situações foi necessário atuar no ajuste de tensão das barras PV e Vθ do sistema até que a solução do fluxo de potência fosse convergente e sem violações, definindo-se o caso base de cada situação.
i)Fluxo de potência com a GD desconectada:
Os resultados da simulação do SEP no ANAREDE com a GD desconectada estão expostos a seguir na Tabela 5.4, na Tabela 5.5 e na Figura 5.2.
A Tabela 5.4 descreve o estado operativo da rede elétrica, apresentando o módulo e ângulo da tensão em cada barra do sistema, resultantes da solução de fluxo de potência obtida no ANAREDE.
Tabela 5.4: Estado operativo das barras após a simulação com a GD desconectada.
B Nome T Vm Va PG QG PL QL BS kV 1 Barra-01 1 1,04 -10,0 30,0 6,9 0,00 0,00 0,0 16,5 2 Barra-02 2 1,04 0,0 128,5 5,1 0,00 0,00 0,0 18,0 3 Barra-03 0 1,029 -11,0 0,0 0,0 0,00 0,00 0,0 230 4 Barra-04 0 1,032 -4,3 0,0 0,0 47,80 3,90 0,0 500 5 Barra-05 0 1,003 -13,0 0,0 0,0 0,00 0,00 0,0 230 6 Barra-06 0 0,999 -9,7 0,0 0,0 0,00 0,00 0,0 500 7 Barra-07 0 0,991 -13,0 0,0 0,0 29,50 16,60 0,0 138 8 Barra-08 0 0,987 -12,0 0,0 0,0 30,00 30,00 0,0 138 9 Barra-09 0 0,976 -14,0 0,0 0,0 13,50 5,80 0,0 138 10 Barra-10 0 0,979 -13,0 0,0 0,0 14,90 5,00 0,0 138 11 Barra-11 0 0,973 -14,0 0,0 0,0 9,00 5,80 0,0 138 12 Barra-12 0 0,976 -14,0 0,0 0,0 7,60 1,60 0,0 138 13 Barra-13 0 0,976 -13,0 0,0 0,0 6,10 1,60 0,0 138 14 Barra-14 0 0,978 -13,0 0,0 0,0 3,90 1,90 0,0 138 15 Barra-15 0 0,977 -13,0 0,0 0,0 1,17 0,57 0,0 34,5 16 Barra-16 0 0,976 -13,0 0,0 0,0 3,50 1,80 0,0 34,5
A Tabela 5.5 apresenta o fluxo de potência nos ramos do sistema e as perdas elétricas calculadas. No total, as perdas ativa e reativa do sistema foram de 2,3 MW e 71,2 Mvar, respectivamente. Já as perdas na área da GD (em 34,5 kV) foram nulas.
Tabela 5.5: Fluxo de potência nos ramos com a GD desconectada.
Fluxo de Potência DE PARA MW Mvar 1 3 30 18 2 4 139 19,2 3 5 30 17,3 4 6 91,2 4,8 5 7 29,9 32,5 6 8 89,8 27,2 7 8 -22,1 -0,5 7 9 8,7 6,9 7 11 8,1 5,5 7 12 5,6 3,5 8 10 19,9 4,4 8 13 6,5 0,9 8 14 11,4 4 9 10 -4,9 1 11 12 -0,9 -0,4 12 13 -3 1,3 13 14 -2,7 0,4 14 15 4,7 2,4 15 16 3,5 1,8 3 1 -30 -17,3 4 2 -139 -8,7 5 3 -29,8 -32,3 6 4 -89,8 -27,2 7 5 -29,9 -31,8 8 6 -89,8 -23 8 7 22,1 -16,2 9 7 -8,6 -6,8 11 7 -8 -5,4 12 7 -5,5 -3,4 10 8 -19,8 -4 13 8 -6,4 -0,8 14 8 -11,3 -3,8 10 9 4,9 -1 12 11 1 0,4 13 12 3 -1,3 14 13 2,7 -0,4 15 14 -4,7 -2,4 16 15 -3,5 -1,8 Perdas 2,3 71,2
A Figura 5.2 apresenta o caso base estabelecido no ANAREDE, demonstrando os resultados obtidos na solução do fluxo de potência, expostos no diagrama unifilar desenhado no próprio programa.
ii)Fluxo de potência com a GD conectada:
Os resultados da simulação do SEP no ANAREDE com a GD conectada estão expostos a seguir na Tabela 5.6, Tabela 5.7 e na Figura 5.3.
A Tabela 5.6 descreve o estado operativo da rede elétrica, apresentando o módulo e ângulo da tensão em cada barra do sistema, resultantes da solução de fluxo de potência obtida pelo ANAREDE. Observa-se que com a conexão da GD há um aumento dos módulos das tensões nas barras do sistema, principalmente nas barras da rede de distribuição (Barra-15, Barra-16 e Barra-17).
Tabela 5.6: Estado operativo das barras após a simulação com a GD conectada.
B Nome T Vm Va PG QG PL QL BS kV 1 Barra-01 1 1,040 -8,8 30,0 6,9 0,00 0,00 0,0 16,5 2 Barra-02 2 1,040 0,0 128,5 5,1 0,00 0,00 0,0 18,0 3 Barra-03 0 1,036 -9,8 0,0 0,0 0,00 0,00 0,0 230 4 Barra-04 0 1,040 -3,9 0,0 0,0 47,80 3,90 0,0 500 5 Barra-05 0 1,020 -11,0 0,0 0,0 0,00 0,00 0,0 230 6 Barra-06 0 1,020 -8,7 0,0 0,0 0,00 0,00 0,0 500 7 Barra-07 0 1,012 -12,0 0,0 0,0 29,50 16,60 0,0 138 8 Barra-08 0 1,013 -11,0 0,0 0,0 30,00 30,00 0,0 138 9 Barra-09 0 0,999 -12,0 0,0 0,0 13,50 5,80 0,0 138 10 Barra-10 0 1,003 -12,0 0,0 0,0 14,90 5,00 0,0 138 11 Barra-11 0 0,995 -12,0 0,0 0,0 9,00 5,80 0,0 138 12 Barra-12 0 1,001 -12,0 0,0 0,0 7,60 1,60 0,0 138 13 Barra-13 0 1,011 -12,0 0,0 0,0 6,10 1,60 0,0 138 14 Barra-14 0 1,021 -11,0 0,0 0,0 3,90 1,90 0,0 138 15 Barra-15 0 1,023 -11,0 0,0 0,0 1,17 0,57 0,0 34,5 16 Barra-16 0 1,031 -11,0 0,0 0,0 3,50 1,80 0,0 34,5 17 Barra-17 1 1,032 -11,0 10,0 17,2 0,00 0,00 0,0 6,6
A Tabela 5.7 apresenta o resultado do fluxo de potência nos ramos do sistema obtido pelo ANAREDE e as perdas elétricas calculadas. No total, as perdas ativa e reativa do sistema foram de 1,6 MW e 73,4 Mvar, respectivamente. Já as perdas ativa e reativa na área da GD, em 34,5 kV, passaram de pouco significantes para 0,1 MW e 0,1 Mvar, respectivamente.
Tabela 5.7: Fluxo de potência nos ramos com a GD conectada. Fluxo de Potência DE PARA MW Mvar 1 3 30 6,9 2 4 128,5 5,1 3 5 30 6,3 4 6 80,7 -7,6 5 7 29,9 22,2 6 8 79,7 18,1 7 8 -20,7 -7,3 7 9 8,6 5,7 7 11 7,6 4,8 7 12 4,9 2 8 10 20 5,6 8 13 4,6 -1,5 8 14 4,4 -8,7 9 10 -5 -0,2 11 12 -1,5 -1,1 12 13 -4,2 -0,8 13 14 -5,7 -3,9 14 15 -2,9 -8,1 15 16 -6,4 -15,2 16 17 -6,4 -10,9 3 1 -30 -6,3 4 2 -128,5 3,7 5 3 -29,9 -22,1 6 4 -79,7 -18,1 7 5 -29,9 -21,7 8 6 -79,7 -15 8 7 20,7 -10,4 9 7 -8,5 -5,5 11 7 -7,5 -4,7 12 7 -4,9 -1,9 10 8 -19,9 -5,3 13 8 -4,6 1,5 14 8 -4,3 8,8 10 9 5 0,3 12 11 1,5 1,1 13 12 4,2 0,8 14 13 5,7 4 15 14 2,9 8,1 16 15 6,5 15,4 17 16 6,4 10,9 Perdas 1,6 73,4
A Figura 5.3 apresenta o caso base estabelecido no ANAREDE, demonstrando os resultados obtidos na solução do fluxo de potência, expostos no diagrama unifilar desenhado no próprio programa.
‘
5.2.2.
Estudos de curto-circuito – Níveis de curto-circuito
Para a simulação dos estudos de curto-circuito do SEP da Figura 5.1, foi utilizado o programa computacional SAPRE/ANAFAS (versão 2.0) do CEPEL. Através deste programa, foi simulada a aplicação de um curto-circuito trifásico na barra 15 do sistema, conforme ilustrado na Figura 5.4.
Assim como na seção anterior, foram consideradas duas situações: a primeira com a GD desconectada e a segunda com a GD conectada. Em ambas, o estado operativo da rede antes do defeito (módulos e ângulos das tensões obtidos na solução de fluxo de potência através do ANAREDE) foi considerado na simulação do curto-circuito.
i)Curto-Circuito trifásico franco na barra 15 com a GD desconectada:
Os dados de barra e dos ramos utilizados como dados de entrada na simulação são os dados apresentados na Tabela 5.4 e na Tabela 5.3, respectivamente. Os resultados obtidos na simulação do curto-circuito trifásico aplicado na barra 15 do sistema com a GD desconectada estão expostos a seguir na Tabela 5.8, Tabela 5.9 Tabela 5.10.
A Tabela 5.8 contém as tensões e correntes na barra 15, onde foi aplicado o curto-circuito trifásico.
Tabela 5.8: Tensões e correntes de curto-circuito com a GD desconectada.
BARRA-15
TENSÃO (p.u.) CORRENTE (p.u.)
Sequência ABC Sequência ZPN Sequência ABC Sequência ZPN Módulo Ângulo Módulo Ângulo Módulo Ângulo Módulo Ângulo
0 0 0 0 3,221 -82,8 0 0
0 0 0 0 3,221 157,2 3,221 -82,8
0 0 0 0 3,221 37,2 0 0
A Tabela 5.9 apresenta as tensões e correntes de contribuição oriunda dos geradores das usinas UG-01 e UG-02. Como era de se esperar, só há a presença da rede de seqüência positiva, onde a componente de seqüência positiva é igual a componente da fase A em módulo e ângulo, enquanto que as componentes das fases B e C são iguais em módulo e defasadas da fase A em 240° e 120°, respectivamente, conforme demonstrado em [27] e [28].
Tabela 5.9: Tensões e correntes de contribuição com a GD desconectada.
BARRA-5
TENSÃO (p.u.) CORRENTE (p.u.)
Sequência ABC Sequência ZPN Sequência ABC Sequência ZPN Módulo Ângulo Módulo Ângulo Módulo Ângulo Módulo Ângulo
0,513 -10,8 0 0 1,958 -85,2 0 0
0,513 -130,8 0,513 -10,8 1,958 154,8 1,958 -85,2
0,513 109,2 0 0 1,958 34,8 0 0
BARRA-4
TENSÃO (p.u.) CORRENTE (p.u.)
Sequência ABC Sequência ZPN Sequência ABC Sequência ZPN Módulo Ângulo Módulo Ângulo Módulo Ângulo Módulo Ângulo
0,614 1,4 0 0 1,804 -67,7 0 0
0,614 -118,6 0,614 1,4 1,804 172,3 1,804 -67,7
0,614 121,4 0 0 1,804 52,3 0 0
Na Tabela 5.10 estão destacados os níveis de curto-circuito, em kA, do sistema com a GD desconectada.
Tabela 5.10: Níveis de curto-circuito com a GD desconectada.
B Nome VBASE (kV) Im (kA) Ia (°) 1 Barra-01 16,5 29,67 -94,8 2 Barra-02 18,0 19,03 -81,0 3 Barra-03 230 1,63 -92,1 4 Barra-04 500 0,61 -81,7 5 Barra-05 230 1,33 -87,1 6 Barra-06 500 0,56 -83,5 7 Barra-07 138 2,11 -85,8 8 Barra-08 138 2,04 -83,7 9 Barra-09 138 1,48 -81,1 10 Barra-10 138 1,59 -83,3 11 Barra-11 138 1,23 -78,3 12 Barra-12 138 1,30 -78,7 13 Barra-13 138 1,35 -80,7 14 Barra-14 138 1,44 -81,7 15 Barra-15 34,5 5,39 -82,8 16 Barra-16 34,5 4,66 -81,1
ii)Curto-Circuito trifásico franco na barra 15 com a GD conectada:
Neste caso, os dados de barra e dos ramos utilizados como dados de entrada na simulação são os dados da Tabela 5.6 e da Tabela 5.3, respectivamente. Os resultados obtidos na simulação do curto-circuito trifásico aplicado na barra 15 do sistema com a GD conectada estão expostos a seguir na Tabela 5.11, Tabela 5.12 e Tabela 5.13.
A Tabela 5.11 contém as tensões e correntes na barra 15, onde foi aplicado o curto-circuito trifásico. Já a Tabela 5.12 apresenta as tensões e correntes de contribuição oriunda dos geradores das subestações UG-01, UG-02 e GD. Observa-se que a GD tem uma parcela de contribuição quase quatro vezes maior que as outras duas, pois está mais próxima do ponto de aplicação do curto circuito (menor impedância equivalente) [28].
Tabela 5.11: Tensões e correntes de curto-circuito com a GD conectada.
BARRA-15
TENSÃO (p.u.) CORRENTE (p.u.)
Sequência ABC Sequência ZPN Sequência ABC Sequência ZPN Módulo Ângulo Módulo Ângulo Módulo Ângulo Módulo Ângulo
0 0 0 0 9,741 -89,3 0 0
0 0 0 0 9,741 150,7 9,741 -89,3
0 0 0 0 9,741 30,7 0 0
Tabela 5.12: Tensões e correntes de contribuição com a GD conectada.
BARRA-5
TENSÃO (p.u.) CORRENTE (p.u.)
Sequência ABC Sequência ZPN Sequência ABC Sequência ZPN Módulo Ângulo Módulo Ângulo Módulo Ângulo Módulo Ângulo
0,505 -11 0 0 1,933 -84,4 0 0
0,505 -131 0,505 -11 1,933 155,6 1,933 -84,4
0,505 109 0 0 1,933 35,6 0 0
BARRA-4
TENSÃO (p.u.) CORRENTE (p.u.)
Sequência ABC Sequência ZPN Sequência ABC Sequência ZPN Módulo Ângulo Módulo Ângulo Módulo Ângulo Módulo Ângulo
0,6 1,6 0 0 1,759 -66,9 0 0
0,6 -118,4 0,6 1,6 1,759 173,1 1,759 -66,9
0,6 121,6 0 0 1,759 53,1 0 0
BARRA-17
TENSÃO (p.u.) CORRENTE (p.u.)
Sequência ABC Sequência ZPN Sequência ABC Sequência ZPN Módulo Ângulo Módulo Ângulo Módulo Ângulo Módulo Ângulo
0,408 -24,7 0 0 6,501 -92,5 0 0
0,408 -144,7 0,408 -24,7 6,501 147,5 6,501 -92,5
0,408 95,3 0 0 6,501 27,5 0 0
Na Tabela 5.13 estão destacados os níveis de curto-circuito, em kA, do sistema com a GD conectada. Observa-se que os níveis de curto-circuito em todo o sistema aumentaram com a conexão da GD, principalmente na rede de distribuição em 34,5 kV.
Tabela 5.13: Níveis de curto-circuito com a GD conectada.
B Nome VBASE (kV) Im (kA) Ia (°) 1 Barra-01 16,5 33,85 -95,3 2 Barra-02 18,0 22,04 -83,3 3 Barra-03 230 1,94 -94,0 4 Barra-04 500 0,76 -84,3 5 Barra-05 230 1,82 -90,2 6 Barra-06 500 0,84 -87,5 7 Barra-07 138 3,14 -88,5 8 Barra-08 138 3,57 -86,8 9 Barra-09 138 2,00 -82,1 10 Barra-10 138 2,33 -85,4 11 Barra-11 138 1,57 -78,1 12 Barra-12 138 1,76 -79,3 13 Barra-13 138 2,33 -82,6 14 Barra-14 138 3,86 -89,1 15 Barra-15 34,5 16,30 -89,3 16 Barra-16 34,5 19,80 -96,3 17 Barra-17 6,6 113,89 -97,0
5.2.3.
Análise dinâmica – Estabilidade transitória
Os estudos de estabilidade transitória são efetuados para verificar se o sistema é capaz de suportar variações causadas por possíveis contingências sem afetar a segurança da rede. Assim, foi simulada a dinâmica da operação de conexão e desconexão da GD na rede elétrica de distribuição, analisando os impactos causados na estabilidade do sistema por este tipo de operação.
Para esta simulação de análise dinâmica foi utilizado o programa computacional SIMULIGHT (versão V2.23 Rv1 Edu), onde foi montado o SEP da Figura 5.1.
Os dados de entrada para simulação são os dados das barras e dados dos ramos apresentados na Tabela 5.6 e na Tabela 5.3, respectivamente, e também os parâmetros dos modelos matemáticos dos geradores e reguladores de tensão e de velocidade, disponíveis no banco de dados da versão educacional do SIMULIGHT [2][3], que foram ajustados conforme a Tabela 5.1.
Estes dados foram inseridos no SIMULIGHT, onde, inicialmente, foi aplicada uma simulação de fluxo de potência para estabelecer o caso base. Após ser estabelecido o caso base, foram configurados os dispositivos e eventos necessários para as simulações da operação de conexão e de desconexão da GD no SEP.
i) Conexão da GD no SEP:
Para a operação de conexão da GD no SEP, foram inseridos no sistema os disjuntores da Tabela 5.14, que estão ilustrados na Figura 5.7. Foi considerado que, inicialmente, os geradores da GD estavam desconectados através do desligamento destes disjuntores.
Tabela 5.14: Disjuntores inseridos no SIMULIGHT para conexão/desconexão da GD.
Disjuntor Função
DJ17-1 Conectar/desconectar o gerador GD-1 da subestação GD DJ17-2 Conectar/desconectar o gerador GD-2 da subestação GD
Para detectar o sincronismo necessário para a ligação em paralelo dos geradores da GD no SEP, foram inseridos relés de sincronismo (código ANSI: 25) atuando nos disjuntores DJ17-1 e DJ17-2.
O próximo passo foi configurar os eventos no SIMULIGHT para o fechamento dos disjuntores DJ17-1 e DJ17-2. Estes eventos foram configurados para ocorrer após 3 segundos de simulação, conforme demonstrado na Tabela 5.15.
Tabela 5.15: Eventos configurados no SIMULIGHT para a conexão da GD.
Evento Tempo Subestação Dispositivo/Nó
FECHAR DISJUNTOR 3,000 GD DJ17-1 FECHAR DISJUNTOR 3,000 GD DJ17-2
Após a inclusão dos dispositivos e configuração dos eventos necessários para a análise em questão, foi realizada uma simulação completa de 30 segundos de duração no SIMULIGHT. Os resultados da simulação foram obtidos a partir dos registros gráficos dos medidores inseridos nas barras e subestações do sistema e estão expostos na Figura 5.5.
Observa-se no gráfico da Figura 5.5-a que a conexão da GD fez a freqüência do sistema cair de 60 Hz para 59,94 Hz, em regime permanente, devido a ação da regulação primária [30][31] implementada no modelo de simulação do gerador da subestação GD [3]. Para que a freqüência retorne ao seu valor nominal de 60 Hz, faz-se necessário a inclusão da etapa de regulação secundária [30][31] que não foi implementada no SIMULIGHT.
Após a conexão da GD, os geradores do sistema apresentaram oscilações nas gerações de potência ativa e reativa, Figura 5.5-b e Figura 5.5-c, respectivamente. Nota-se que as potências ativas não sofreram grandes alterações com relação aos seus valores iniciais, porém, observa-se que a GD passou a suprir reativo para o sistema, aproximadamente 20 Mvar.
Com relação as tensões nas barras, observa-se que a conexão da GD elevou os níveis de tensão nas barras (Figura 5.5-d, Figura 5.5-e, Figura 5.5-f e Figura 5.5- g), principalmente na rede de distribuição (Figura 5.5-g).
Esses resultados demonstram que o sistema suportou a conexão em paralelo da GD, pois se manteve estável após esta operação.
Figura 5.5-b: Potência ativa.
Figura 5.5-d: Tensões no sistema de transmissão, em 500 kV.
Figura 5.5-f: Tensões no sistema de transmissão, em 138 kV.
Figura 5.5-g: Tensões no sistema de distribuição.
ii) Desconexão da GD no SEP:
Para a operação de desconexão da GD no SEP, foi utilizado o mesmo sistema montado no SIMULIGHT para a operação de conexão da GD. Entretanto, agora foi considerado que os geradores da GD já estavam conectados ao sistema através dos disjuntores da Tabela 5.14. Assim, foram configurados os eventos no SIMULIGHT para a abertura dos disjuntores DJ17-1 e DJ17-2, de modo a simular a desconexão da GD. Estes eventos foram configurados para ocorrer após 3 segundos de simulação, conforme demonstrado na Tabela 5.16.
Tabela 5.16: Eventos configurados no SIMULIGHT para a desconexão da GD.
Evento Tempo Subestação Dispositivo/Nó
ABRIR DISJUNTOR 3,000 GD DJ17-1 ABRIR DISJUNTOR 3,000 GD DJ17-2
Após a configuração dos eventos necessários para esta análise, foi realizada uma simulação completa de 30 segundos de duração no SIMULIGHT. Os resultados foram obtidos a partir dos registros gráficos dos medidores inseridos nas barras e subestações do sistema e estão expostos na Figura 5.6.
Assim como na simulação anterior, observa-se no gráfico da Figura 5.6-a que a desconexão da GD fez a freqüência do SEP cair de 60 Hz para 59,94 Hz, em regime permanente, devido a ação da regulação primária[30][31] implementada no SIMULIGHT. Para que a freqüência retorne ao seu valor nominal de 60 Hz, faz-se necessário a inclusão da etapa de regulação secundária [30][31] que não foi implementada no SIMULIGHT.
Após a desconexão da GD, os geradores do sistema também apresentaram oscilações nas gerações de potência ativa e reativa, Figura 5.6-b e Figura 5.6-c, respectivamente. Nota-se que as potências ativas e reativas da GD caíram a zero, como era de se esperar, uma vez que foram desconectados do SEP. Já os geradores das usinas UG-01 e UG-02, não sofreram alterações significativas com relação a potência ativa, porém estes geradores passaram a fornecer potência reativa à rede com a desconexão da GD.
Com relação as tensões nas barras, ao contrário da simulação anterior, observa- se que a desconexão da GD reduziu os níveis de tensão nas barras (Figura 5.6-d, Figura 5.6-e, Figura 5.6-f e Figura 5.6-g), principalmente na rede de distribuição (Figura 5.6-g).
Figura 5.6-a: Freqüência.
Figura 5.6-c: Potência reativa.
Figura 5.6-e: Tensões no sistema de transmissão, em 230 kV.
Figura 5.6-g: Tensões no sistema de distribuição.