Analysis of Reactive Power Support From Wind Generators as Ancillary Service Providers

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1_{Abstract— This paper proposes the use of wind generators} for the provision of reactive power support as ancillary service. The reason behind this proposal is the ability of some of these generators to operate with variable power factor. It was considered the analysis of a set of DFIG (Doubly Fed Induction Generator) generators with power factor ranging up to the limit of 0,95 compared to a set of DFIG generators with power factor equal to 1,0, i,e, without reactive power support capability. Therefore, the formulation of an optimal power flow so as to analyze the reactive power supplied by the set of wind generators providing this ancillary service to the reduction of transmission losses was used.

Keywords— Ancillary Services, Optimal Power Flow, Reactive Power Support, Renewable Resource, Wind Energy.

I. INTRODUÇÃO

AUMENTO da demanda por energia elétrica tem causado uma grande preocupação em todo o mundo, principalmente devido ao esgotamento de fontes tradicionais e aos impactos ambientais causados pelo seu uso indiscriminado. Esses fatores de preocupação causam uma ameaça à segurança energética dos países, justificando grandes investimentos em pesquisas para o desenvolvimento de tecnologias que utilizam fontes renováveis de produção de energia elétrica.

Entre as tecnologias alternativas para produção de energia elétrica a geração eólica tem-se destacado, principalmente por ter o custo por kW instalado cada vez mais competitivo. O desenvolvimento tecnológico tem permitido à geração eólica suprir grandes demandas quando conectadas ao sistema elétrico de transmissão ou quando instaladas em sistemas de geração distribuída, próximas às unidades consumidoras, diminuindo os custos de transmissão.

Ademais, geradores eólicos quando acompanhados de sistemas de controle que permitam separar da dinâmica de operação dos mesmos em relação ao sistema a que estão associados, tornam-se candidatos para a provisão de suporte de potência reativa como prestadores de serviços ancilares [1], [2].

Atualmente, o aumento da capacidade de geração dos geradores eólicos e a aplicação dos mesmos integrados à rede elétrica, bem como o aumento da sua importância para a qualidade da energia entregue aos consumidores, têm feito

1_{F. S. Souza é aluno de mestrado da Universidade Federal do ABC, e-mail:}

flasans@hotmail.com

T. Sousa é professor da Universidade Federal do ABC, e-mail: thales.sousa@ufabc.edu.br

E. A. Belati é professor da Universidade Federal do ABC, e-mail: edmarcio.belati@ufabc.edu.br

com que modernos geradores eólicos contribuam não somente com a geração de potência ativa, mas também com o suporte de potência reativa e a estabilidade do sistema elétrico [3].

Assim, o presente trabalho propõe a utilização de geradores eólicos para o provimento do serviço ancilar de suporte de potência reativa, considerando a capacidade que alguns geradores eólicos possuem de operarem com fator de potência variável.

Para tanto, foi considerado a análise de um conjunto de geradores DFIG (Doubly Fed Induction Generator) com fator de potência podendo variar até o limite de 0,95, em comparação com um conjunto de geradores DFIG sem capacidade de suporte de potência reativa.

Nesse sentido, foi utilizada a formulação de um fluxo de potência ótimo com o objetivo de analisar a colaboração do provimento deste serviço ancilar para a diminuição das perdas na transmissão.

II. SERVIÇOS ANCILARES

A. Conceitos Gerais

Um sistema elétrico precisa atender importantes parâmetros relativos à confiabilidade, qualidade e estabilidade operativa. Para que tais requisitos sejam garantidos, além dos serviços básicos de geração, transmissão e distribuição da energia gerada são necessários outros serviços complementares. Esses serviços são definidos como serviços ancilares.

Os serviços ancilares são amplos e variam de um país para outro, obedecendo às particularidades de cada sistema elétrico, no que diz respeito aos requesitos operativos, dimensionais e topológicos.

Entre os diversos tipos de serviços ancilares, destacam-se: balanço energético, reservas de potência ativa, controle de frequência, controle de tensão ou suporte de potência reativa, programação e despacho e auto-restabelecimento.

A seguir são apresentadas algumas características do serviço ancilar de suporte de potência reativa, objeto do presente trabalho.

B. Suporte de Potência Reativa

Os valores de tensão e potência reativa gerada ou consumida no sistema elétrico estão diretamente relacionados. Para manter os valores de tensão dentro dos limites pré-estabelecidos e prevenir possíveis colapsos no sistema é prevista a provisão do serviço ancilar de suporte de potência reativa.

Para efetuar o controle dos níveis de tensão no sistema elétricos são utilizados vários recursos, tais como: bancos de capacitores chaveados ligados ao barramento das subestações; reatores ligados em paralelo com os barramentos, no terciário

O

Analysis of Reactive Power Support From Wind

Generators as Ancillary Service Providers

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dos transformadores ou nos extremos de linhas de transmissão; transformadores com tap variável; reguladores de tensão; e dispositivos FACTS (Flexible Alternating Current

Transmission Systems).

Outro recurso bastante utilizado no controle dos níveis de tensão e objeto do presente trabalho é o suporte de potência reativa a partir de geradores síncronos conectados à rede, quando os mesmos, a partir da variação da corrente de excitação do campo eletromagnético, estão operando sobreeexitados ou subexcitados [4-6].

III. GERAÇÃO EÓLICA

A geração eólica tem-se destacado como uma fonte renovável de energia elétrica principalmente por ter o custo por kW instalado cada vez mais competitivo e por ser capaz de suprir grandes demandas quando conectadas ao sistema elétrico de transmissão ou quando instaladas em sistemas de geração distribuída, próximas às unidades consumidoras, diminuindo os custos de transmissão.

Atualmente, o aumento da capacidade de geração dos geradores eólicos e a aplicação dos mesmos integrados à rede elétrica têm feito com que modernos geradores eólicos contribuam não somente com a geração de potência ativa, mas também com o suporte de potência reativa e a estabilidade do sistema elétrico.

Nesse sentido, a escolha da tecnologia do gerador eólico a ser empregado possibilita o controle da potência reativa fornecida à rede [7]. Determinados geradores são consumidores de potência reativa e de modo geral para o controle do fator de potência precisam ter dispositivos de compensação associados. São exemplos desses dispositivos: os dispositivos FACTS, os bancos de capacitores chaveados ou transformadores com tap variável instalados nas barras.

A seguir são apresentadas algumas características dos geradores eólicos DFIG (Doubly Fed Induction Generator), objeto do presente trabalho.

A. Geradores Eólicos DFIG

Uma característica fundamental na classificação dos geradores eólicos está relacionada à tecnologia utilizada para converter a energia mecânica extraída dos ventos em energia elétrica.

Nesse sentido, é de grande importância a definição se a operação se dará em velocidade constante ou variável, sendo que a operação em velocidade variável proporciona vantagens tais como: menor emissão de ruídos, menor stress mecânico e a capacidade de fornecer potência reativa em alguns tipos de geradores.

Os geradores eólicos mais atuais utilizam a tecnologia DFIG que possuem a capacidade de operação em velocidade variável com uso de Gear Box. Os geradores DFIG têm seu estator conectado ao rotor através de um conversor de potência.

O fluxo de potência no conversor é controlado pelo RSC (Rotor Side Converter) e pelo GSC (Grid Side Converter) que podem ser comandados por um PWM (Pulse Width

Modulation). O RSC e o GSC controlam as potências ativa e

reativa do lado do estator e do lado do rotor de forma independente, proporcionando ao gerador uma capacidade de operar com fator de potência indutivo ou capacitivo [8].

A Fig. 1 ilustra o esquema de um sistema DFIG, considerando os blocos de controle e o sistema de proteção

Crow-Bar. O sistema de proteção Crow-Bar opera quando há

sobretensão ou sobrecorrente de excitação do rotor, proporcionado por falhas na rede elétrica.

Figura 1. Configuração de um gerador DFIG [9].

Devido à facilidade de controle, de operação em diferentes velocidades de vento e a capacidade de fornecimento de potência reativa de forma dinâmica, o presente trabalho considera o uso de geradores DFIG.

B. Limites Operacionais

No gerador DFIG os conversores RSC e GSC podem operar temporariamente sobrecarregados contribuindo de forma significativa para o suporte de tensão.

Em função da corrente máxima nos conversores de potência, para que não ocorram sobreaquecimentos, o gerador DFIG pode operar com fator de potência até 0,95 indutivo ou capacitivo [6], [9]. Dessa forma é possível determinar o limite de contribuição do gerador DFIG no provimento de suporte de potência reativa.

Outra limitação do gerador DFIG está relacionada à velocidade do vento, pois abaixo de certa velocidade torna-se inviável a operação com fator de potência diferente do unitário.

Nesse sentido, a curva de capabilidade do gerador eólico utilizado no presente trabalho é ilustrada na Fig. 2.

Figura 2. Curva de capabilidade do gerador DFIG considerado.

Na Fig. 2 foi considerado que o gerador estará desligado para ventos com velocidade abaixo de 6 m/s. Após o vento atingir a velocidade de 6 m/s, o gerador irá operar com fator

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de potência igual a 1,0, sendo que sua capacidade de suporte de potência reativa para o sistema só foi possível quando o vento atingiu velocidades entre 9 e 14 m/s [9]. Para ventos acima de 14 m/s, o funcionamento do aerogerador, o que inclui sua capacidade de geração, dependerá do projeto da turbina eólica a qual será conectado. Na Fig. 2 foi considerado que para velocidades de ventos acima de 14 m/s o gerador estará desligado.

A Tabela I apresenta os limites de geração de potência ativa e reativa considerando distintas velocidades do vento.

TABELA I

CAPACIDADES DO GERADOR DFIG EM FUNÇÃO DO VENTO [9]

Vento (m/s) P (MW) Q (MVAr) S (MVA) FP

6 16,30 0,00 16,30 1,00 7 23,75 0,00 23,75 1,00 8 33,85 0,00 33,85 1,00 9 64,36 21,33 67,85 0,95 10 80,00 26,34 84,22 0,95 11 98,55 32,50 103,77 0,95 12 124,24 40,93 130,80 0,95 13 157,32 51,76 165,61 0,95 14 164,64 54,11 173,30 0,95 IV. METODOLOGIA

De maneira a avaliar a colaboração de geradores eólicos no suporte de potência reativa como prestadores de serviço ancilar foi modelado um algoritmo de FPO (Fluxo de Potência Ótimo) com objetivo de minimizar as perdas técnicas de potência ativa e de potência reativa, atendendo as restrições impostas ao sistema. O algoritmo de FPO foi modelado utilizando-se o software matemático AMPL (Modeling

Language for Mathematical Programming) em conjunto com

o solver Knitro.

A formulação matemática básica do FPO é apresentada em (1). Minimizar f x u( , ) (1) Sujeito a: ( , u) 0 g(x, u) 0 h x = ≤

Onde f(x,u) é a função objetivo, em que x é um vetor de n1

variáveis de estado, u é um vetor de n2 variáveis de controle, h(x,u)=0 representa um vetor de n3 restrições de igualdade e g(x,u)≤0 representa um vetor de n4 restrições de desigualdade.

Para a formulação proposta, a função objetivo é representada pela somatória das equações (2-3), relativas à minimização das perdas ativas e reativas, respectivamente.

As restrições de igualdade h(x,u)=0 são representadas pelas equações (4-5) de balanço de potência ativa e reativa,

respectivamente. As equações (4-5) foram consideradas para as barras onde não foram conectados geradores eólicos.

(4)

(

)

(x) sen cos k Gk Lk k m km km km km m k Q Q Q V V G θ B θ ∈ = − =



− (5) Para o algoritmo de FPO proposto, o gerador eólico DFIG foi representado como uma fonte de geração variando em função das velocidades dos ventos.

Nesse sentido, a Equação (6) representa a função de geração de potência ativa do o gerador eólico DFIG. Essa função foi determinada a partir dos valores de potência ativa do gerador DFIG e das velocidades de vento ilustradas na Tabela 1 [9].

Peolica (ven) = 0,76ven2_{+ 5ven - 46 (6)}

Para as barras onde foram consideradas a conexão de geradores eólicos, as restrições de igualdade de balanço de potência ativa e reativa são representadas pelas equações (7-8), respectivamente. ( ) 2 (0.76* 5* 46) /100 (x) cos sen defig Lk k m km km km km m k P ven ven P V V G θ B θ ∈ + + − = − =  (7) _(x)

₍

_sen _cos

₎

defig Gdfig Lk k m km km km km m k Q Q Q V V G θ B θ ∈ = − =



− (8)

Onde ven: velocidade do vento, em m/s;

k=1,.., N, sendo N o número de barras; NL: o número de linhas da rede elétrica;

Pk e Qk: injeções de potência ativa e reativa na barra k; PGk e QGk: gerações de potência ativa e reativa na barra k; PLk e QLk: cargas ativa e reativa na barra k;

Qsh

k : injeção de potência reativa devido ao elemento shunt da

barra k;

Gkm: parte real do elemento da matriz de admitância,

correspondente a linha k e a coluna m;

Bkm: parte imaginária do elemento da matriz de admitância,

correspondente a linha k e a coluna m;

Pdefig e Qdefig: injeção de potência ativa e reativa na barra com

geração eólica.

As restrições de desigualdade g(x, u) 0≤ apresentadas na Equação (1) são representadas pelo limite de geração de potência reativa, Equação (9); pelos limites de tensão nas barras, Equação (10) e; pelos limites dos taps dos transformadores, Equação (11). min Q max Gi Gi Gi Q _≤Q _≤ ₍₉₎ min Gi

Q _eQGi_max _{estão limitados pelo fator de potência do gerador}

DFIG e pela velocidade do vento.

min max

k k k

V ≤V ≤V (10)

min Tap max

k k k Tap ≤Tap≤ (11)

(

)

(x) cos sen k Gk Lk k m km km km km m k P P P V V G _θ B _θ ∈ = − =



+

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Para validar a modelagem anterior foram realizadas simulações considerando os sistemas IEEE de 57 barras [10] e velocidades de vento de 10 m/s e 14 m/s. Os geradores eólicos foram inseridos em barras com altas demandas.

Para cada simulação foram avaliados os ganhos para o sistema no que diz respeito à minimização das perdas de potência ativa e reativa e ao fornecimento de potência reativa a partir dos geradores eólicos.

V. TESTES E RESULTADOS A. Sistema IEEE 57 Barras com uma central eólica

A Fig. 3 ilustra o sistema IEEE 57 Barras utilizado na realização dos testes propostos para o presente trabalho.

Figura 3: Sistema IEEE 57 Barras [10].

A partir das informações anteriores foi realizado um primeiro conjunto de testes considerando apenas uma central eólica conectada junto à Barra 13.

O Caso 1 realizado para o sistema de 57 Barras com uma central eólica considerou a incapacidade de suporte de potência reativa por parte do gerador eólico e uma velocidade de vento igual a 10 m/s. Os resultados da simulação são apresentados na Tabela II.

TABELA II

RESULTADOS DE SIMULAÇÃO PARA O SISTEMA IEEE 57 BARRAS COM UMA CENTRAL EÓLICA (VENTO = 10M/S, FP = 1,0)

Barra V pu MW Ger. MVAr Ger. Bus V pu MW Ger. MVAr Ger. 1 1,038 418,558 0,000 30 0,950 0,000 4,088 2 1,028 0,000 50,000 31 0,950 0,000 6,341 3 1,030 40,000 60,000 32 0,955 0,000 0,000 4 1,024 0,000 0,000 33 0,953 0,000 1,486 5 1,024 0,000 0,000 34 0,950 0,000 5,094 6 1,029 0,000 25,000 35 0,951 0,000 0,000 7 1,018 0,000 0,000 36 0,957 0,000 0,000 8 1,050 438,948 66,869 37 0,962 0,000 0,000 9 1,027 0,000 9,000 38 0,975 0,000 0,000 10 1,024 0,000 0,000 39 0,961 0,000 0,000 11 1,019 0,000 0,000 40 0,956 0,000 0,000 12 1,050 180,661 147,663 41 0,991 0,000 0,000 13 1,025 80,000 0,000 42 0,955 0,000 0,000 14 1,015 0,000 0,000 43 1,010 0,000 0,000 15 1,022 0,000 0,000 44 0,984 0,000 0,000 16 1,039 0,000 0,000 45 1,016 0,000 0,000 17 1,029 0,000 0,000 46 1,005 0,000 0,000 18 0,953 0,000 0,000 47 0,986 0,000 0,000 19 0,950 0,000 0,685 48 0,983 0,000 0,000 20 0,958 0,000 0,000 49 0,989 0,000 0,000 21 0,966 0,000 0,000 50 0,978 0,000 0,000 22 0,971 0,000 0,000 51 1,014 0,000 0,000 23 0,969 0,000 0,000 52 0,963 0,000 0,000 24 0,961 0,000 0,000 53 0,950 0,000 1,453 25 0,950 0,000 0,000 54 0,979 0,000 0,000 26 0,962 0,000 0,000 55 1,017 0,000 0,000 27 0,977 0,000 0,000 56 0,950 0,000 0,000 28 0,989 0,000 0,000 57 0,950 0,000 3,747 29 1,000 0,000 0,000

Perdas MW 24,287 Perdas MVAr 45,510

Total MW Gerado 1.158,11

Total MVAr Gerado 381,40

No Caso 1 as perdas ativas e reativas foram iguais a 24,29 MW e 45,51 MVAr, respectivamente. A geração eólica correspondeu a 6,91 % da produção de potência ativa total no sistema.

No Caso 2 realizado para o sistema de 57 Barras com uma central eólica foi considerada a capacidade dos geradores DFIG operar com fator de potência até 0,95 indutivo ou capacitivo e uma velocidade de vento igual a 10 m/s. Essas características representam um ponto de operação intermediário à curva de capabilidade ilustrada na Fig. 2.

Os resultados obtidos para o Caso 2 são apresentados na Tabela III.

TABELA III

RESULTADOS DE SIMULAÇÃO PARA O SISTEMA IEEE 57 BARRAS COM UMA CENTRAL EÓLICA (VENTO = 10M/S, FP = 0,95)

Barra V pu MW Ger. MVAr Ger. Bus V pu MW Ger. MVAr Ger. 1 1,041 420,969 0,000 30 0,950 0,000 3,935 2 1,032 0,000 50,00 31 0,950 0,000 6,333 3 1,034 40,000 60,00 32 0,955 0,000 0,001 4 1,027 0,000 0,000 33 0,953 0,000 1,483 5 1,026 0,000 0,000 34 0,950 0,000 3,756 6 1,030 0,000 25,00 35 0,952 0,000 0,000 7 1,019 0,000 0,000 36 0,959 0,000 0,000 8 1,050 437,936 60,33 37 0,964 0,000 0,000 9 1,029 0,000 9,000 38 0,979 0,000 0,000 10 1,026 0,000 0,000 39 0,963 0,000 0,000 11 1,024 0,000 0,000 40 0,958 0,000 0,000 12 1,050 179,050 130,17 41 0,994 0,000 0,000 13 1,032 80,000 26,30 42 0,957 0,000 0,000 14 1,021 0,000 0,000 43 1,014 0,000 0,000 15 1,027 0,000 0,000 44 0,989 0,000 0,000 16 1,040 0,000 0,000 45 1,020 0,000 0,000 17 1,031 0,000 0,000 46 1,010 0,000 0,000 18 0,955 0,000 0,000 47 0,990 0,000 0,000 19 0,950 0,000 0,136 48 0,987 0,000 0,000 20 0,959 0,000 0,000 49 0,993 0,000 0,000 21 0,969 0,000 0,000 50 0,982 0,000 0,000 22 0,975 0,000 0,000 51 1,016 0,000 0,000 23 0,973 0,000 0,000 52 0,964 0,000 0,000

(5)

24 0,963 0,000 0,000 53 0,950 0,000 0,817 25 0,951 0,000 0,000 54 0,980 0,000 0,000 26 0,964 0,000 0,000 55 1,018 0,000 0,000 27 0,978 0,000 0,000 56 0,952 0,000 0,000 28 0,990 0,000 0,000 57 0,950 0,000 3,034 29 1,001 0,000 0,000 0,950 0,000 3,935

No Caso 2 as perdas ativas e reativas foram iguais a 24,07 MW e 44,39 MVAr, respectivamente. A geração eólica foi responsável por 6,91% da produção de potência ativa e por 6,91% da produção de potência reativa total no sistema.

Em seguida foi proposto um terceiro cenário, Caso 3, onde foi considerada a incapacidade de suporte de potência reativa por parte do gerador eólico e uma velocidade de vento igual a 14 m/s.

No Caso 3 as perdas ativas e reativas foram iguais a 24,66 MW e 45,79 MVAr, respectivamente. Para o Caso 3, a geração eólica correspondeu a 14,93 % da potência ativa produzida no sistema.

No caso 4, a simulação foi realizada considerando geradores DFIG com capacidade de operar com fator de potência até 0,95 indutivo ou capacitivo e com velocidade de vento igual a 14 m/s. No caso 4, as perdas ativas e reativas foram iguais a 24,48 MW e 43,09 MVAr, respectivamente. A geração eólica correspondeu a 5,60% da produção de potência ativa e a 2,93% da produção de potência reativa total no sistema.

Para o conjunto de testes considerando apenas uma central eólica, resultados apresentados nas Tabelas II e III, pôde-se observar uma ligeira diminuição, 0,90%, das perdas ativas quando considerada a possibilidade de suporte de potência reativa a partir dos geradores eólicos. Nesse ponto, deve-se destacar que a minimização das perdas ativas e reativas dos sistemas elétricos está diretamente relacionada com a quantidade de fontes de suporte de potência reativa, bem como com o ponto de conexão das mesmas.

B. Sistema IEEE 57 Barras com duas centrais eólicas

A partir dos resultados obtidos considerando uma central eólica foi realizado um segundo conjunto de testes considerando duas centrais eólicas conectadas nas Barras 8 e 29.

O Caso 1 realizado para o sistema de 57 Barras com duas centrais eólicas considerou a incapacidade de suporte de potência reativa por parte do gerador eólico e uma velocidade de vento igual a 10 m/s. Os resultados da simulação são apresentados na Tabela IV.

TABELA IV

RESULTADOS DE SIMULAÇÃO PARA O SISTEMA IEEE 57 BARRAS COM DUAS CENTRAIS EÓLICAS (VENTO = 10M/S, FP = 1,0)

Barra V pu MW Ger. MVAr Ger. Bus V pu MW Ger. MVAr Ger. 1 1,037 450,000 0,000 30 0,976 3,600 1,800 2 1,027 0,000 56,820 31 0,976 5,800 2,900 3 1,022 40,000 60,000 32 0,976 1,608 0,970 4 1,015 0,000 0,000 33 0,976 3,800 1,900 5 1,002 0,000 0,000 34 0,977 0,058 0,004 6 1,002 24,176 25,000 35 0,977 5,547 2,252 7 0,991 0,000 0,000 36 0,977 0,001 0,001 8 0,992 80,000 0,000 37 0,977 0,000 0,000 9 0,997 34,229 9,000 38 0,979 0,000 0,000 10 1,013 0,000 0,000 39 0,977 0,000 0,000 11 1,002 0,000 0,000 40 0,977 0,001 0,001 12 1,050 310,000 155,000 41 0,980 0,000 0,000 13 1,013 0,000 0,000 42 0,972 7,010 1,985 14 1,006 0,000 0,000 43 0,955 0,000 0,000 15 1,016 0,000 0,000 44 0,985 0,000 0,000 16 1,039 0,000 0,000 45 1,010 0,000 0,000 17 1,028 0,000 0,000 46 0,997 0,000 0,000 18 0,992 15,824 6,835 47 0,981 0,000 0,000 19 0,987 3,290 0,603 48 0,980 0,000 0,000 20 0,984 1,767 0,935 49 0,983 0,000 0,000 21 0,978 0,191 0,000 50 0,978 14,354 0,000 22 0,978 0,000 0,000 51 1,002 0,000 0,000 23 0,977 3,960 0,000 52 0,975 4,147 0,220 24 0,978 0,007 0,000 53 0,975 20,019 7,380 25 0,976 6,288 3,041 54 0,980 4,129 0,000 26 0,978 0,173 0,000 55 0,989 6,467 0,000 27 0,978 9,299 0,000 56 0,973 7,557 0,765 28 0,978 2,097 0,000 57 0,973 6,667 1,803 29 0,981 80,000 0,000

No Caso 1 as perdas ativas e reativas foram iguais a 18,19 MW e 3,15 MVAr, respectivamente. A geração eólica correspondeu a 13,89 % da produção de potência ativa total no sistema.

No Caso 2 realizado para o sistema de 57 Barras com duas centrais eólicas foi considerada a capacidade dos geradores DFIG operar com fator de potência até 0,95 indutivo ou capacitivo e uma velocidade de vento igual a 10 m/s. Essas características representam um ponto de operação intermediário à curva de capabilidade ilustrada na Fig. 2.

Os resultados obtidos para o Caso 2 são apresentados na Tabela V.

TABELA V

RESULTADOS DE SIMULAÇÃO PARA O SISTEMA IEEE 57 BARRAS COM DUAS CENTRAIS EÓLICAS (VENTO = 10M/S, FP = 0,95)

Barra V pu MW Ger. MVAr Ger. Bus V pu MW Ger. MVAr Ger. 1 1,036 450,000 0,000 30 0,950 5,176 0,752 2 1,025 0,000 50,000 31 0,950 7,845 1,154 3 1,024 40,000 60,000 32 0,951 0,000 0,000 4 1,018 0,000 0,000 33 0,950 3,546 0,000 5 1,016 0,000 0,000 34 9,989 16,547 0,000 6 1,020 35,485 25,000 35 0,983 6,418 0,000 7 1,019 0,000 0,000 36 0,980 0,000 0,000 8 1,016 80,000 26,295 37 0,979 0,000 0,000 9 1,008 4,596 9,000 38 0,980 0,000 0,000 10 1,016 0,000 0,000 39 0,978 0,000 0,000 11 1,007 0,000 0,000 40 0,979 0,000 0,000 12 1,050 310,000 145,221 41 0,973 0,000 0,000 13 1,015 0,000 0,000 42 0,960 5,802 0,000 14 1,008 0,000 0,000 43 0,997 0,000 0,000 15 1,017 0,000 0,000 44 0,986 0,000 0,000 16 1,038 0,000 0,000 45 1,010 0,000 0,000 17 1,028 0,000 0,000 46 0,997 0,000 0,000 18 0,950 4,383 0,000 47 0,980 0,000 0,000 19 0,958 2,844 0,000 48 0,980 0,000 0,000 20 0,967 0,000 0,000 49 0,981 0,000 0,000 21 0,976 1,944 0,000 50 0,974 7,310 0,000

(6)

22 0,980 0,000 0,000 51 1,004 0,000 0,000 23 0,981 0,708 0,000 52 0,996 4,000 0,000 24 1,008 10,757 0,000 53 0,987 20,077 0,000 25 0,950 5,746 0,000 54 0,991 4,269 0,000 26 1,011 10,596 0,000 55 0,998 8,702 0,000 27 1,013 10,307 0,000 56 0,967 7,951 0,000 28 1,014 1,965 0,000 57 0,966 6,978 0,000 29 1,017 80,000 26,295

No Caso 2 as perdas ativas e reativas foram iguais a 20,07 MW e 8,13 MVAr, respectivamente. A geração eólica foi responsável por 13,86% da produção de potência ativa e por 15,29% da produção de potência reativa total no sistema.

Em seguida foi proposto um terceiro cenário, Caso 3, onde foi considerada a incapacidade de suporte de potência reativa por parte do gerador eólico e uma velocidade de vento igual a 14 m/s.

No Caso 3 as perdas ativas e reativas foram iguais a 22,21 MW e 20,79 MVAr, respectivamente. Para o Caso 3, a geração eólica correspondeu a 29,92 % da potência ativa produzida no sistema.

No caso 4, a simulação foi realizada considerando geradores DFIG com capacidade de operar com fator de potência até 0,95 indutivo ou capacitivo e com velocidade de vento igual a 14 m/s. No caso 4, as perdas ativas e reativas foram iguais a 22,30 MW e 19,17 MVAr, respectivamente. A geração eólica correspondeu a 19,92% da produção de potência ativa e a 22,00% da produção de potência reativa total no sistema.

Para o conjunto de testes considerando duas centrais eólicas, resultados apresentados nas Tabelas IV e V, pôde-se observar uma significativa diminuição, 10,30%, das perdas ativas quando considerada a possibilidade de suporte de potência reativa a partir dos geradores eólicos.

VI. CONCLUSÕES

O presente trabalho apresentou a formulação de um fluxo de potência ótimo com o objetivo de analisar a capacidade de suprimento de potência reativa a partir de um conjunto de geradores eólicos, verificando a colaboração do provimento deste serviço ancilar para a diminuição das perdas ativas e reativas nas redes elétricas.

Para tanto foi considerada a análise de um conjunto de geradores eólicos DFIG (Doubly Fed Induction Generator) com fator de potência podendo variar até o limite de 0,95 indutivo ou capacitivo em comparação com um conjunto de geradores eólicos DFIG sem capacidade de suporte de potência reativa.

Para o conjunto de testes considerando apenas uma central eólica pôde-se observar uma ligeira diminuição, 0,90%, das perdas ativas quando considerada a possibilidade de suporte de potência reativa a partir dos geradores eólicos. Nesse ponto, deve-se destacar que a minimização das perdas ativas e reativas dos sistemas elétricos está diretamente relacionada com a quantidade de fontes de suporte de potência reativa, bem como com o ponto de conexão das mesmas.

Por outro lado, para o conjunto de testes considerando duas centrais eólicas pôde-se observar uma significativa, 10,30%,

diminuição das perdas ativas quando considerada a possibilidade de suporte de potência reativa a partir dos geradores eólicos, demonstrando a importância da alocação do suporte de potência reativa em diferentes pontos do sistema elétrico. Os resultados apresentados mostraram também, a partir do suporte de potência reativa, o suporte de tensão nas barras do sistema elétrico.

Assim, a partir dos resultados apresentados, pôde-se verificar a viabilidade do suporte de potência reativa a partir de geradores eólicos como mais uma alternativa de provisão desse serviço ancilar, contribuindo com o aumento da confiabilidade e com a operação econômica dos sistemas elétricos envolvidos.

VII. REFERÊNCIAS

[1] F. Alsokhiry, G. P. Adam, K. L. Lo, “Contribution of Distributed Generation to Ancillary Services,” Universities Power Engineering Conference (UPEC), London, United Kingdown, Set, 2012.

[2] F. Alsokhiry, K. L. Lo, “Provision of Reactive Power Support Ancillary Services from Distributed Generation based on Renewable Energy,” Renewable Energy Research and Applications (ICRERA), IEEE, Madrid, Spain, Out, 2013.

[3] N.R.Ullah, “Wind Farms as Reactive Power Ancillary Service Providers Techinical and economic issues,” IEEE Transactions on Energy Conversion, Vol. 24, Set. 2009.

[4] D. F. Olipa, A. M. Zeynu, I. A. Hiskens, “Wind Farm Reactive Support and Voltage Control,” Symposium – Bulk Power System Dynamics and Control – VIII (IREP), Buzios, Rio de Janeiro, Brasil, Ago,. 2010. [5] I. Erlich, M. Wilch, C. Feltes, “Reactive power generation by DFIG

based wind farms with AC grid connection, “ IEEE, Power Electronics and Applications, European Conference, Aalborg, Set, 2007.

[6] L. Xie, H. D. Chiang, S. H. Li, “Optimal power flow calculation of power system with wind farms,” Power and Energy Society General Meeting 2011, IEEE, 2011.

[7] W. Li, C. Abbey, G. Joos, “Control and Performance of Wind Turbine Generators based on Permanent Magnet Synchronous Machines Feeding a Diode Rectifier, “ Power Electronics Specialists Conference, 37º IEEE, Jeju, 2006.

[8] X. Lie, P. Cartwright, “Direct active and reactive power control of DFIG for wind energy generation,” Energy Conversion, International Journal of Innovative Research in Electrical Electronics , Instrumentation and Constrol Enineering, Vol. 3, Issue 5, May 2015.

[9] E. A. Belati, A. J. Sguarezi, M. B. C. Salles, “Analysis of Reactive Power Capability for Doubly-Fed Induction Generator of Wind Energy Systems Using an Optimal Reactive Power flow,” Material and processes for energy: Communicating current research and technological developments, 2013.

[10] University of Washington Electrical Engineering “Power Systems Test

Case Archive” [Online]. Available:

https://www.ee.washington.edu/research/pstca/

VIII. AGRADECIMENTOS

Os autores prestam seus agradecimentos à FAPESP (Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo) pelo financiamento deste projeto, através do processo 2014/16813-3.

Flávio Santos de Souza obteve o título de tecnólogo em

automação industrial pela FATEC Adib Moisés Dib (2012). Atualmente é aluno de mestrado da Universidade Federal do ABC – UFABC e professor na Escola Técnica Instituto Edson. Áreas de interesse: planejamento de sistemas elétricos de potência.

(7)

Thales Sousa obteve os títulos de bacharel, mestre e doutor

em Engenharia Elétrica pela Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira - UNESP (2000); pelo Departamento de Engenharia Elétrica da Escola de Engenharia de São Carlos - USP (2003); e pelo Departamento de Engenharia de Energia e Automação Elétricas - POLI-USP (2006), respectivamente. Atualmente é professor do CECS da Universidade Federal do ABC (UFABC). Áreas de interesse: planejamento de sistemas elétricos de potência.

Edmarcio Antonio Belati obteve os títulos de bacharel,

mestre e doutor em Engenharia Elétrica pela Escola de Engenharia de Lins (1995); pelo Departamento de

Engenharia Elétrica-FEISUNESP (1999); e pelo

Departamento de Engenharia Elétrica da Escola de Engenharia de São Carlos-USP (2003) respectivamente. Atualmente é professor do CECS da Universidade Federal do ABC (UFABC). Áreas de interesse: otimização de sistemas elétricos de potência.