GRAZIELE TECHIO DE MELO
ANÁLISE DA ESTABILIDADE DE TENSÃO EM UM ALIMENTADOR
DE DISTRIBUIÇÃO SOB A INFLUÊNCIA DE GERAÇÃO
DISTRIBUÍDA
Ijuí 2017
ANÁLISE DA ESTABILIDADE DE TENSÃO EM UM ALIMENTADOR
DE DISTRIBUIÇÃO SOB A INFLUÊNCIA DE GERAÇÃO
DISTRIBUÍDA
Trabalho de Conclusão de Curso de Engenharia Elétrica apresentado como requisito parcial para obtenção do título de Engenheiro Eletricista.
Orientador : Me. Sandro Alberto Bock
Ijuí 2017
ANÁLISE DA ESTABILIDADE DE TENSÃO EM UM ALIMENTADOR
DE DISTRIBUIÇÃO SOB A INFLUÊNCIA DE GERAÇÃO
DISTRIBUÍDA
Este Trabalho de Conclusão de Curso foi julgado adequado para a obtenção do título de ENGENHEIRO ELETRICISTA e aprovado em sua forma final pelo professor orientador e pelo membro da banca examinadora
Ijuí, 28 de novembro de 2017
Prof. Me. Sandro Alberto Bock Mestre pela Universidade Federal de Santa Maria - Orientador Prof. Júlio Bolacel Coordenador do Curso de Engenharia Elétrica/Unijuí
BANCA EXAMINADORA Prof. Me. Sandro Alberto Bock (UNIJUÍ) Mestre pela Universidade Federal de Santa Maria
Prof. Me. Gilson Rogério Batista (UNIJUÍ) Mestre pela Universidade Federal de Campina Grande
Dedico este trabalho a DEUS pelas oportunidades, e aos meus pais, pelo amor, dedicação
atrás de meus objetivos.
Aos meus pais Milton Pereira e Elizabete Techio por todo apoio, conselhos, confiança e amor que dedicaram a mim ao longo destes anos. Certamente não teria chegado onde cheguei se não fosse por vocês. Talvez não existam palavras suficientes e significativas que me permitam agradecê-los com o devido merecimento, porém o exemplo de honestidade, fé e persistência me seguirão por toda a vida.
A minha irmã Gisele Techio, pelo amor, cumplicidade e generosidade, não medindo esforços ou distância para me amparar e dar forças em todos os momentos.
Aos amigos e demais pessoas que de algum modo me apoiaram e me ajudaram a evoluir ao longo desta jornada. Agradeço em especial a Nadine Szambelan, por ser amiga, família e exemplo de determinação. Obrigado por estar ao meu lado durante esta trajetória, dividindo incalculáveis experiências e tornando este período mais leve e descontraído.
Agradeço ao meu orientador prof. Sandro Bock, pelo acompanhamento deste trabalho.
Ao Departamento Municipal de Energia de Ijuí, pelos dados concedidos para o estudo de caso.
A Unijuí, ao curso de Engenharia Elétrica e aos professores por todo o conhecimento proporcionado.
Há uma força motriz mais poderosa que o vapor, a eletricidade e a energia atômica: a vontade.
Distribuição sob a influência de Geração Distribuída. 2017. Trabalho de Conclusão de Curso. Curso de Engenharia Elétrica, Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul – UNIJUÍ, Ijuí, 2017.
A operação bem sucedida do Sistema Elétrico de Potência (SEP) decorre da habilidade deste, em fornecer energia elétrica com qualidade, ou seja, atendendo os consumidores de forma confiável e contínua. Porém, o crescente aumento da demanda associado a falta de investimentos na expansão e manutenção do setor tem deixado a operação do sistema próxima a seus limites de carregamento. Restrições econômicas, regulatórias e ambiental contribuem para este cenário. Para que estas condições não impliquem na perda do fornecimento de energia, é necessário conhecer seus limites de estabilidade. Deste modo, este trabalho tem por finalidade estudar os conceitos que envolvem a Estabilidade de Tensão em Sistemas Elétricos de Potência, propondo metodologias para avaliar a Margem de Estabilidade de Tensão, esta que é um importante índice utilizado nas etapas de operação e planejamento. Tais metodologias compreendem o levantamento e a análise das Curvas PV e VQ, que possibilitam determinar o ponto de máximo carregamento do sistema, por meio do método do Fluxo de Potência Continuado, simulado no software ANAREDE. Com o intuito de aplicar os conceitos estudados, será apresentado um estudo de casos, simulando a estabilidade de tensão do alimentador AL-311 do Departamento Municipal de Energia de Ijuí – DEMEI, em condição normal de operação e com a influência de geradores distribuídos. Através das análises, pretende-se determinar os locais mais apropriados para a conexão de unidades de GD e obter um panorama do quanto a integração destes geradores à rede elétrica pode influenciar na Margem de Estabilidade de Tensão.
Palavras-chave: Margem de Estabilidade de Tensão. Fluxo de Potência Continuado. ANAREDE.
of deliver high quality and continuous electrical power to customers. However the growing demand for electrical power, associated to enviromental issues and economic restrictions are leaving it next to its limits. To keep a system operating with such restrictions it is needed to know its stability limits. That way, this work is designed to study the concepts that cover the Electrical Tension Stability in Electrical Power System, proposing methodologies to avail the Tension Stability Margin, being this a very important index for planning and operation of the system. Such metodologias comprehend in survey and analyze tje PV and VQ curves, that enable to determine the point of maximum charge in the system, by means of the Continuous Power Flow method, simulating it on a software called ANAREDE. In order to apply the concepts studied, a case study will be presented, simulating a voltage stability of the feeder AL-311 of the Municipal Department of Energy of Ijuí - DEMEI, under normal operating conditions and with the influence of distributed generators. Through the analyzes, it is intended to determine the most appropriate locations for a connection of GD units and to obtain a panorama about an integration of these generators to the electric network can influence in the Margin of Stability of Voltage.
Figura 2 - Exemplo de curva PV ... 27
Figura 3 - Exemplo de curva QV ... 28
Figura 4 - Definição da margem de estabilidade ou carregamento ... 30
Figura 5 - Esquema de Previsão-Correção pelo FPC... 35
Figura 6 - Oferta Interna de Energia Elétrica por Fonte ... 39
Figura 7 - Conexão por tipo de fonte ... 41
Figura 8 - Circuito Alimentador AL-311 ... 46
Figura 9 - Diagrama esquemático da metodologia empregada ... 47
Figura 10 - AL-311 ... 48
Figura 11 - Tela inicial do software ANAREDE ... 49
Figura 12 - Diagrama unifilar do Alimentador AL-311 ... 50
Figura 13 - Pontos selecionados para comparação dos níveis de tensão. ... 52
Figura 14 - Curvas PV para o caso base ... 55
Figura 15 - Localização das barras críticas ... 57
Figura 16 - Curva PV das barras críticas ... 58
Figura 17 - Tensão nas barras críticas 18 e 111. ... 59
Figura 18 - Curva QV das barras críticas 18 e 111 ... 60
Figura 19 - Barras 18 e 111 após adicionar potência reativa ... 60
Figura 20 - Diagrama unifilar com inclusão dos geradores ... 62
Figura 21 - Comparação do casobase e casos 1,2 e 3 como barra PQ ... 64
Figura 22 - Comparação do caso base com os casos 1,2 e3 com barra PV .. 65
Figura 23 - Comparação da MET para o caso base e casos 1, 2 e 3 ... 67
Tabela 2 - Características da rede ... 51
Tabela 3 - Comparação dos níveis de tensão nas barras selecionadas ... 53
Tabela 4 - Barras críticas para o caso base. ... 56
Tabela 5 - Capacidade de produção da GD ... 63
Tabela 6 - MET e níveis de tensão para barras críticas PQ ... 64
ANEEL CEPEL CIGRÉ
Agência Nacional de Energia Elétrica Centro de Pesquisas de Energia Elétrica
International Council on Large Eletric Systems
DEMEI GD FP FPC IEEE INEE MET MIG MT PMC
Departamento Municipal de Energia Elétrica Geração Distribuída
Fluxo de Potência
Fluxo de Potência Continuado
Institute of Eletrical and Eletronics Engineers
Instituto de Eficiência Energética Margem de Estabilidade de Tensão
Mapeamento de Informações Geográficas Média Tensão
Ponto de Máximo Carregamento PRODIST
RN
Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica Resolução Normativa
SE SEP UCs
Subestação
Sistema Elétrico de Potência Unidades Consumidoras
Ω K MVAr MW P p.u. PV QV Pk PQ PV Q Qk Q𝑘𝑠ℎ V Vθ λ
Conjunto das barras vizinhas Número de barras
Mega volt ampère reativo Mega watt
Potência ativa Por unidade
Potência Ativa versus Tensão Eficaz Potência Reativa versus Tensão Eficaz Fluxo de potência ativa
Barra de Carga Barra de Geração Potência reativa
Fluxo de potência reativa
Injeção de potência reativa devido ao elemento shunt Magnitude da tensão
Barra de referência Fator de Carregamento
1 INTRODUÇÃO ... 13 1.1 CONTEXTO ... 14 1.2 PROBLEMA ... 15 1.2.1 Objetivos de Pesquisa ... 16 1.3 ESTRUTURA DO TRABALHO ... 17 2 ESTABILIDADE DE TENSÃO ... 18
2.1 CLASSIFICAÇÕES DE ESTABILIDADE EM SEPs ... 18
2.2 ESTABILIDADE DE TENSÃO ... 20
2.2.1 Fatores que Influenciam na Estabilidade de Tensão ... 22
2.3 MÉTODOS DE ANÁLISE ... 24 2.3.1 Análise Dinâmica ... 25 2.3.2 Análise Estática ... 25 2.4 CURVAS P-V e Q-V ... 26 2.4.1 Curva P-V ... 27 2.4.2 Curva Q-V ... 28
2.5 MARGEM DE ESTABILIDADE DE TENSÃO ... 29
2.6 FLUXO DE POTÊNCIA ... 30
2.6.1 Aplicações ... 31
2.6.2 Formulação Básica ... 32
2.7 FLUXO DE POTÊNCIA CONTINUADO ... 34
3 GERAÇÃO DISTRIBUÍDA E A ESTABILIDADE DE TENSÃO ... 37
3.1 CONCEITOS DE GERAÇÃO DISTRIBUÍDA ... 37
3.2 ASPECTOS DA GERAÇÃO DISTRIBUÍDA NO BRASIL ... 38
3.3 IMPACTOS DA GD NA ESTABILIDADE ... 41
4.2 METODOLOGIA E OBTENSÃO DOS DADOS ... 46
4.2.1 Plataforma E2MIG ... 47
4.3 O PROGRAMA DE ANÁLISE DE REDES – ANAREDE ... 49
4.3.1 Modelagem no ANAREDE ... 50
4.4 VALIDAÇÃO DO MODELO ... 51
5 ESTUDOS DE CASO ... 54
5.1 CASO 1: CONDIÇÃO DE OPERAÇÃO NORMAL DA REDE ... 54
5.1.1 Análise das curvas PV e barras críticas ... 54
5.1.2 Análise das curvas QV ... 58
5.2 CASO 2: OPERAÇÃO DA REDE COM CONEXÃO DE GD ... 61
5.2.1 Definição da barra de GD ... 61
5.2.2 Geração Distribuída com Característica de Barra PQ...63
5.2.3 Geração Distribuída com Característica de Barra PV ... 65
5.3 COMPARAÇÃO DOS RESULTADOS ... 66
6 CONCLUSÃO ... 69
6.1 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ... 70
REFERÊNCIAS ... 72
ANEXO A - PERFIL DE TENSÃO NAS BARRAS DO ALIMENTADOR ... 75
_____________________________________________________________________
1 INTRODUÇÃO
Ao longo da existência do Sistema Elétrico de Potência (SEP), este sofreu poucas mudanças estruturais. Sua concepção tradicional se baseia na geração centralizada, com usinas de grande porte localizadas a longas distâncias dos centros de consumo. Atualmente, observa-se um processo de transformação na estrutura física do SEP caracterizada, principalmente, pelo deslocamento das centrais de grande porte (hidrelétricas, termelétricas e nucleares) para a geração de pequeno porte distribuída pelo sistema e próxima à carga (TARANTO et al., 2017). Esta configuração de geração vem sendo chamada de Geração Distribuída (GD).
A GD surge como uma inovação na forma em que o SEP é constituído, tornando-se uma alternativa a geração centralizada, com a finalidade de complementar a geração e atender o aumento do consumo de energia elétrica. As crescentes restrições ambientais e financeiras, que acabam complicando à implantação de grandes empreendimentos de geração, associadas às mudanças regulatórias, que favorecem o livre acesso aos sistemas de transmissão e distribuição, criaram um movimento favorável para as unidades geradoras conectadas a rede elétrica.
Se por um lado existe um crescente movimento, além de incentivos governamentais, para a ampliação da GD, por outro verifica-se o aumento da preocupação do operador nacional e principalmente, das distribuidoras, com a qualidade e confiabilidade dos sistemas elétricos. Portanto, a análise do sistema incluindo unidades de GD torna-se um problema atual, pois a variedade de tecnologias associadas a estas, são responsáveis por mudanças na arquitetura das redes elétricas. Essas mudanças ainda são motivos de discussões e dúvidas quanto ao impacto que podem causar.
1.1 CONTEXTO
A operação bem sucedida do SEP decorre da habilidade deste, em fornecer energia elétrica com qualidade, ou seja, atendendo a demanda de forma confiável e contínua. Porém, o aumento da demanda de energia elétrica nem sempre é acompanhado pela expansão apropriada da estrutura física do sistema elétrico, devido alguns fatores, entre eles restrições econômicas, regulatórias e ambiental.
Assim, para satisfazer a crescente demanda por energia elétrica, estes sistemas operam cada vez mais próximo de seus limites. Para que isto não implique na perda do fornecimento de energia, esta condição requer que sejam elaborados estudos para o planejamento da operação, com o intuito de determinar ações preventivas que devem ser tomadas, a fim de garantir o fornecimento contínuo de energia, dentro dos padrões de qualidade.
Nesse sentido, o estudo da estabilidade de tensão é de grande interesse, pois a partir da Margem de Estabilidade de Tensão (MET) se estabelece os limites entre as regiões de operação estável e instável do sistema. Deste modo, é possível determinar a quantidade de carga adicional que o sistema é capaz de transmitir sem que haja um colapso de tensão.
A estabilidade de tensão é definida como a capacidade de um SEP em manter os perfis adequados de tensão em operação normal ou até mesmo após a ocorrência de perturbações. Quando a condição anterior não é satisfeita, verifica-se o fenômeno da instabilidade de tensão. Em consequência disso, observa-se redução progressiva da tensão em uma ou mais barras do sistema, podendo estender-se para regiões vizinhas e resultar em um colapso parcial ou total do sistema se não forem tomadas medidas corretivas (AJJARAPU et al., 2004). Dessa forma, caso a estabilidade de tensão não seja assegurada e os limites de operação do sistema sejam ultrapassados, pode ocorrer a perda do fornecimento de energia, ocasionando impactos negativos em diversos setores.
_____________________________________________________________________ Com a nova configuração do SEP, onde pequenas centrais conectadas a rede de distribuição atuam em complemento a centrais geradoras de grande porte, o paradigma de geração tem mudado. A tendência da integração de novas fontes de geração de energia ao sistema elétrico, tem contribuído para a complexidade da operação destes, criando uma grande desafio às concessionárias de energia para manter a rede elétrica de acordo com os critérios de qualidade e confiabilidade (TARANTO et al., 2017).
Portanto, estudos que relacionem o efeito da utilização de geradores distribuídos e a estabilidade de tensão possibilitam o aumento da confiabilidade do SEP, tendo grande interesse, uma vez que se trata de um fator que influencia diretamente na segurança operacional do sistema.
1.2 PROBLEMA
O problema tratado neste trabalho é a relação entre a estabilidade de tensão e o efeito da utilização de geradores distribuídos. Sabe-se que no sistema elétrico em que a Geração Distribuída (GD) está inserida, pode ocorrer significativa melhora no perfil de tensão dos alimentadores de distribuição e aumento da margem de estabilidade do sistema (ALVES, 2016). No entanto, com a instalação da GD em locais inadequados e com potências inapropriadas pode ocasionar a degradação da qualidade de energia, inclusive no que refere-se à estabilidade de tensão (SILVA et al., 2001).
Assim, a proposta deste trabalho é analisar o impacto que a GD pode causar na margem de estabilidade de tensão. Para isso, utilizou-se como caso base um alimentador real de distribuição, e por meio do software Análise de Redes – ANAREDE foram realizadas simulações estáticas do fluxo continuado. Os resultados deste processo podem ser visualizados através das curvas PV e QV onde mostram os dados de operação sob carga normal e o comportamento de toda a rede com os aumentos graduais de carga podendo, assim, estabelecer a MET e também, valores de reativos adicionais que a rede necessita.
Com esta proposta, espera-se obter um panorama do quanto a conexão de GD pode influenciar na MET e nos níveis de tensão, bem como determinar formas para que a mesma traga benefícios ao sistema, sem prejuízos sob o ponto de vista da estabilidade.
1.2.1 Objetivos de Pesquisa
1.2.1.1 Objetivo geral
O presente trabalho tem por objetivo geral modelar o alimentador AL-311 do Departamento Municipal de Energia de Ijuí - DEMEI, através do software ANAREDE. De posse do modelo do alimentador, propõe-se realizar a validação deste e posteriormente realizar simulações a fim de avaliar a influência de geradores distribuídos na Margem de Estabilidade de Tensão.
1.2.1.2 Objetivos Específicos
Conceituar Estabilidade de Tensão;
Estudar o método do Fluxo de Potência Continuado para traçar as curvas PV e QV e interpretá-las;
Modelar o alimentador AL-311 no software ANAREDE;
Validar o modelo, comparando os resultados através do cálculo do fluxo de potência executado no ANAREDE e na plataforma E2MIG;
Aplicar os conceitos estudados no presente trabalho, realizando um estudo de caso com o alimentador AL- 311;
Avaliar o impacto da conexão de geração distribuída e sua influência na Margem de Estabilidade de Tensão;
Discussão dentre os aspectos estudados, os que mais influenciaram na estabilidade de tensão do sistema.
_____________________________________________________________________ 1.3 ESTRUTURA DO TRABALHO
O trabalho se encontra estruturado em 6 capítulos. O capítulo seguinte apresenta o referencial teórico dos principais conceitos a ser tratados no trabalho, buscando conceituar a Estabilidade de Tensão em Sistemas Elétricos de Potência, mostrando a importância do estudo e as consequências de uma instabilidade. Abordará as ferramentas utilizadas na análise da estabilidade como as curvas PV e QV, explicando a Margem de Estabilidade de Tensão e o Fluxo de Potência Continuado, escolhido como o método para se chegar no ponto de máximo carregamento.
O Capítulo 3 aborda os conceitos de Geração Distribuída, os aspectos gerais da GD no Brasil, destacando as normas estabelecidas pela Aneel para caracterização de GD e o impacto desta na estabilidade dos SEPs.
No Capítulo 4 é descrito as características do alimentador utilizado para o estudo de caso, a metodologia para a obtenção dos dados e a modelagem do alimentador no Software ANAREDE, este escolhido para a realização das simulações. Além disso, é descrito o método utilizado para validar o modelo.
No Capítulo 5 são apresentados os resultados obtidos no estudo de caso do alimentador AL-311. As simulações são realizadas no software ANAREDE, a fim de analisar a estabilidade de tensão do alimentador em diferentes cenários.
No Capítulo 6 são discutidas as conclusões obtidas através da análise dos resultados deste trabalho.
2 ESTABILIDADE DE TENSÃO
A crescente demanda de energia elétrica e a alta complexidade dos atuais SEPs, implicam maior qualidade do fornecimento de energia elétrica. Como critérios de qualidade, enquadram-se a continuidade do suprimento e perfis adequados de tensão. Para que estes critérios sejam mantidos, é necessário conhecer os limites de estabilidade do SEP. Assim, estudos relacionados a estabilidade de tensão são desenvolvidos procurando-se obter uma operação segura do sistema.
Neste capítulo é realizada uma revisão bibliográfica acerca de estabilidade de tensão em SEPs. O foco principal é dado à estabilidade de tensão, mostrando a importância do estudo e as consequências de uma instabilidade. Após definida estabilidade de tensão, é abordado as ferramentas utilizadas na análise da estabilidade, como as curvas PV e QV.
Em seguida, um importante critério de estabilidade de tensão é apresentando, sendo este a MET do sistema, ou seja, o quão longe, em termos de potência ativa, um sistema encontra-se do colapso de tensão.
Por fim, é apresentado o método utilizado para o cálculo desta MET, que é conhecido como FPC, o qual baseia-se no método da continuação. O FPC assume sucessivos incrementos de carga, com isso obtém-se, através da solução estática, um novo ponto de operação a cada incremento assumido.
2.1 CLASSIFICAÇÕES DE ESTABILIDADE EM SISTEMAS DE POTÊNCIA
Os SEPs estão constantemente sujeitos a diferentes tipos de distúrbios. Para garantir o fornecimento de energia com padrões de qualidade e segurança, torna-se necessário o estudo da natureza destes distúrbios e seus impactos sobre o sistema.
_____________________________________________________________________ A estabilidade de um sistema de potência é a capacidade que este sistema tem de manter um ponto de equilíbrio sob condições normais de operação e recuperar este estado, após ser submetido a um distúrbio. Desta forma, a classificação da estabilidade de um SEP é feita levando em consideração a natureza física da instabilidade (ângulo, frequência ou tensão), a dimensão da perturbação considerada, os dispositivos, processos envolvidos e o intervalo de tempo do evento (KUNDUR, et al., 2004).
A Figura 1, mostra a classificação de estabilidade em um SEP, com suas categorias e subcategorias.
Figura 1 - Classificações de estabilidade em SEPs.
Fonte: Adaptado de KUNDUR, 2004.
Em linhas gerais, a estabilidade angular está associada a capacidade de um gerador síncrono em permanecer em sincronismo seguido de uma perturbação no sistema, a estabilidade de frequência com a capacidade do sistema em manter a frequência dentro dos padrões nominais de operação e a estabilidade de tensão, em monitorar e controlar o nível de tensão nos barramentos, garantindo que o sistema opere com valores de tensões aceitáveis, evitando situações emergenciais, como um colapso de tensão.
Uma vez que o foco deste trabalho aborda apenas uma das categorias, a estabilidade de tensão, esta foi discutida com maior ênfase na sequência.
A estabilidade de tensão pode ser classificada em duas subcategorias de acordo com a Figura 1.
Estabilidade de tensão a grandes perturbações: Refere-se à capacidade do sistema de manter tensões estáveis após uma grande perturbação, como ocorrência de falta na rede de transmissão, perda de unidades geradoras ou de carga. Com isso a estabilidade de tensão necessita de uma análise dinâmica do sistema em um período de tempo suficiente para capturar a interação entre estes dispositivos (KUNDUR et al., 2004).
Estabilidade de tensão a pequenas perturbações: Refere-se à capacidade do sistema em manter a estabilidade de tensão após pequenas perturbações, como mudanças incrementais na carga do sistema. Esta forma de estabilidade pode ser estudada através de abordagens estáticas (KUNDUR et al., 2004).
Quanto ao tempo do evento:
Curto prazo: envolve dinâmicas de dispositivos de ação rápida (motores de indução, cargas controladas eletronicamente). Refere-se a períodos da ordem de alguns segundos (KUNDUR et al., 2004).
Longo prazo: envolve equipamentos de ação lenta como tap de transformadores e limitadores de corrente de geradores. Refere-se a períodos de interesse de alguns ou vários minutos (KUNDUR et al., 2004).
Sendo assim, dentro do item de estabilidade de tensão, neste trabalho analisou-se mais especificamente a parte relativa à tensão, na preanalisou-sença de pequenas perturbações.
2.2 ESTABILIDADE DE TENSÃO
Como mencionado previamente, um sistema elétrico é estável quando consegue manter a sua condição de equilíbrio em regime normal de operação, assim como,
_____________________________________________________________________ retornar a mesma após sofrer perturbações. Por outro lado, um sistema deixa de ser estável, quando uma perturbação, um aumento de carga ou outro tipo de alteração nas condições do sistema causa um declínio progressivo e incontrolável na tensão.
Para Kundur et al., (2004), uma causa de estabilidade de tensão está ligada aos limites de geração de potência reativa de um SEP. Portanto, a instabilidade de tensão acontece quando há um excesso de carga atendida pelo sistema, principalmente quando há insuficiência de fontes de potência reativa para a manutenção dos níveis de tensão nodais. Por exemplo, quando a carga aumenta em um determinado barramento do sistema, a tensão deste barramento tende a diminuir até seu valor limite. Se a carga continuar a aumentar, ocorrerá uma alteração da tensão, ocorrendo então, a instabilidade de tensão no sistema.
Os termos instabilidade de tensão e colapso de tensão são frequentemente empregados de forma parecida. O colapso de tensão é um processo pelo qual uma sequência de eventos acompanhados da instabilidade de tensão leva o sistema a níveis inaceitáveis de tensão em uma parte significativa do sistema de potência (KUNDUR, 1994). Uma das causas que levam ao colapso pode ocorrer quando há uma demanda adicional de potência reativa e o transporte desta potência em uma determinada região se torna difícil, devido por exemplo, às linhas excederem sua capacidade de transmissão.
As principais causas que levam o sistema ao colapso são: Acréscimo do carregamento;
Linhas de transmissão sobrecarregadas; Perdas de linhas ou unidades geradoras;
Insuficiência de compensação de potência reativa; Geração muito afastada dos centros consumidores;
Assim, em um estudo de estabilidade, deseja-se através de ferramentas analíticas, identificar um possível colapso de tensão, analisando as margens de estabilidade, identificando os pontos fracos de tensão do sistema e áreas suscetíveis à
instabilidade. Assim é possível identificar os fatores chave para sua contribuição e sensibilidade que forneçam características do sistema para a adoção de ações corretivas (KUNDUR,1994).
A seguir serão mostradas as características dos elementos de um sistema de potência que são de interesse para a compreensão do processo de colapso de tensão.
2.2.1 Fatores que Influenciam na Estabilidade de Tensão
Visto que, uma das principais causas de instabilidade de tensão é a incapacidade do sistema em suprir a demanda de potência reativa, outros fatores importantes que podem influenciar na perda do sistema são:
Capacidade dos Geradores:
A capacidade de fornecimento de potência reativa dos geradores é limitada pelas correntes de campo e armadura. Quando atingido este limite, a atuação de seus reguladores de tensão provocará a redução dessa potência para o sistema.
Características das Linhas de Transmissão:
Uma linha de transmissão apresenta um comportamento diferenciado em função de seu carregamento. Ela produz potência reativa proporcionalmente ao quadrado da tensão e consome potência ativa e reativa, proporcionalmente ao quadrado da corrente. Dessa forma, a potência reativa líquida proporcionada por uma linha de transmissão irá variar com seu ciclo de carga, sendo as condições de carga pesada as mais críticas sob o aspecto de estabilidade de tensão, quando as perdas elétricas e quedas de tensão podem tornar-se elevadas (FILHO, 2006).
Compensadores de Potência Reativa:
Banco de capacitores são elementos usados quando o sistema necessita de um fornecimento de energia reativa adicional, sendo uma alternativa econômica devido ao
_____________________________________________________________________ seu pequeno porte e baixo custo. O inconveniente é que esses dispositivos fornecem energia reativa proporcional ao quadrado da tensão, logo no momento em que são mais requisitados para manter estável o nível de tensão nos barramentos, sua contribuição diminui.
Já capacitores séries são utilizados tanto para linhas de transmissão longas, com benefício no problema de estabilidade angular, quanto em linhas mais curtas, visando a estabilidade de tensão. Isso decorre da característica de auto-regulação próprio dos capacitores série, visto que produzem potência reativa proporcionalmente ao quadrado da corrente e independente da tensão nas barras, possibilitando reduzir a queda de tensão resultante da reatância da linha. Assim, destacam-se por serem mais efetivos quando necessita-se de compensação. O fato de propiciarem o aparecimento de ressonância subsíncrona e a necessidade da utilização de dispositivos especiais de proteção contra sobretensões, são suas desvantagens. (FILHO, 2006).
Características das Cargas:
Um modelo de carga é uma representação matemática da relação entre a tensão em uma barra (amplitude e frequência) e a potência (ativa e reativa) ou corrente fluindo para a carga.
A modelagem da carga total de uma subestação é usualmente representada por um modelo composto que considera parcelas de carga com diferentes comportamentos em função da tensão. Cargas industriais, onde predomina o comportamento do tipo potência constante, são mais críticas sob o aspecto de estabilidade de tensão. Por outro lado, cargas residenciais, que de uma maneira geral apresentam redução de suas potências sob situações de queda de tensão, proporcionam certa “autocorreção”, sendo portanto mais favoráveis do ponto de vista de estabilidade de tensão (FILHO, 2006).
Os modelos representativos do comportamento da carga com a tensão são classificados em duas categorias: Modelo estático e Modelo Dinâmico.
Os modelos estáticos expressam as potências ativas e reativas em uma barra para dado instante de tempo em função da tensão nessa barra para o mesmo instante de tempo. Entram como exemplos as cargas de aquecimento e iluminação incandescente, que apresentam uma variação da potência com o quadrado da tensão e são consideradas cargas do tipo impedância constante. Na modelagem dinâmica, a representação é feita por equações diferenciais onde reproduzem não só o comportamento da carga em regime permanente como também nos transitórios elétricos. Portanto, o modelo dinâmico expressa a potência ativa e reativa em uma barra em função da magnitude da tensão na mesma barra em um instante de tempo passado e, usualmente, incluindo o instante de tempo presente (FILHO, 2006).
Outras considerações importantes a respeito das cargas é o fator de potência, onde baixos valores causam excessiva queda de tensão e tornam-se economicamente inviáveis de serem sustentados pelo sistema. Por esta razão, consumidores são taxados pelo consumo de energia reativa e baixo fator de potência.
2.3 MÉTODOS DE ANÁLISE
Para realizar a análise da estabilidade de tensão de um SEP, é necessário levar em consideração os seguintes aspectos:
Diagnóstico do ponto de operação do sistema, o qual baseia-se na verificação, se o ponto de operação é estável em relação aos níveis tensão;
Determinação da barra crítica do sistema;
Margem de carga entre o ponto de operação escolhido e o ponto de colapso de tensão. Assim, faz-se necessário o conhecimento de um método que identifique o ponto de colapso de tensão;
Destacam-se duas formas de análise de instabilidade de tensão, a dinâmica e a estática, sendo que a escolha depende da interpretação da natureza do fenômeno. As principais características das duas abordagens são detalhadas a seguir.
_____________________________________________________________________ 2.3.1 Análise Dinâmica
A análise dinâmica permite uma modelagem mais detalhada do sistema elétrico e oferece uma simulação fiel do comportamento do SEP no domínio do tempo após a ocorrência da perturbação ou eventos que possam causar um colapso de tensão no sistema.
Conforme Filho (2006), tal representação tende a produzir resultados mais precisos para análise de estabilidade de tensão, uma vez que o comportamento da carga tem uma participação decisiva na dinâmica desse evento.
Porém, Silva (2001) destaca que esta forma de análise exige um maior esforço computacional já que utiliza técnicas de solução de equações diferenciais ordinárias não lineares. Para um estudo envolvendo diversos cenários de contingencias, o mesmo necessita um maior esforço computacional.
No entanto, este tipo de análise torna-se indispensável para estudos específicos, a fim de revelar detalhes importantes, omitidos pela análise estática.
2.3.2 Análise Estática
Embora a estabilidade de tensão seja um fenômeno dinâmico, devido à sua complexidade, ao tempo computacional necessário para simulações e ao fato das dinâmicas envolvidas muitas vezes seres lentas, ferramentas estáticas tem sido utilizadas para sua análise, pois conduz a resultados semelhantes (FILHO, 2006).
Na análise estática, o comportamento dinâmico dos elementos do SEP é desprezado. Sua modelagem é realizada através de equações algébricas, sejam elas lineares ou não. Essa técnica baseia-se nos conceitos de fluxo de potência e fluxo de potência continuado. O principal objetivo dessa análise é obter a margem de carregamento do sistema, ou ponto de colapso de tensão.
Entre as vantagens da análise estática, destaca-se: a capacidade de proporcionar informações a respeito da condição de estabilidade do ponto de equilíbrio considerado, o limite de máximo carregamento, a margem de estabilidade de uma determinada condição operativa e a classificação de contingências críticas.
O emprego da análise estática é essencial para a análise de estabilidade de tensão em ambientes em que há restrições com relação a tempos computacionais, como por exemplo a operação em tempo real. O estudo proposto nesse trabalho utiliza a abordagem estática, com a utilização do software ANAREDE que faz a análise de estabilidade de tensão através do fluxo de potência continuado, tal método é detalhado mais adiante.
2.4 CURVAS P-V E Q-V
No estudo sobre Estabilidade de Tensão, é preciso ter o conhecimento das condições normais em que o sistema opera, para a verificação de uma possível situação de instabilidade. Esta análise pode ser realizada através da visualização de curvas P-V e Q-V em barramentos críticos do sistema. As curvas P-V são traçadas para se determinar a margem de estabilidade de tensão do sistema, já as curvas Q-V complementam a análise das curvas P-V, determinando o valor mínimo de potência reativa que é necessário para garantir a estabilidade.
Portanto, a análise das curvas mostram a quantidade de carga adicional que o sistema é capaz de suportar e transmitir sem que tenha um problema de instabilidade, ou até um colapso de tensão. São obtidas a partir do perfil da tensão pelo nível de carga onde analisa-se um incremento de carga para todo sistema ou para algumas regiões selecionadas.
_____________________________________________________________________ 2.4.1 Curva P-V
A curva P-V mostra a variação da tensão em uma área, barra ou para o sistema inteiro, em função do aumento de carga. A utilização dessa curva é uma das metodologias mais adotadas para estudos de Estabilidade de Tensão onde estuda-se a análise estática.
O método para a obtenção da curva consiste na solução de sucessivos cálculos de fluxo de potência, o chamado método continuado, com incremento de carga até que o valor limite seja atingido. Por exemplo, para obtenção da curva P-V em uma determinada barra do SEP é efetuado um aumento contínuo da carga atendida pela mesma, mantendo-se o fator de potência constante. A cada aumento de carga são monitorados os valores de tensão e potência na barra.
A Figura 2 ilustra um exemplo de uma curva P-V, onde conhecendo a característica da curva Po e traçando uma reta perpendicular a esse ponto, tem-se a intersecção com dois valores de tensão A e B. A parte superior da curva abrange valores de tensão de operação estável, já a parte inferior, valores de tensão mais baixos e instáveis. O “nariz” da curva P-V representa o ponto crítico da curva que é ponto de máximo carregamento ou de colapso de tensão.
Figura 2 - Exemplo de curva PV
Após obtido o ponto crítico da curva, determina-se a Margem de Estabilidade do sistema, pois ela representa a distância entre o ponto de operação Po até o ponto de instabilidade Pc. A tensão crítica Vcr corresponde ao valor da tensão no momento em que foi atingido o valor de máximo carregamento para o sistema analisado.
2.4.2 Curva Q-V
A curva Q-V determina a relação entre a magnitude da tensão em uma determinada barra pela potência reativa injetada. Essa curva mostra a variação da tensão na barra quando há injeção ou absorção de reativos e é obtida de forma semelhante a curva P-V, com sucessivos cálculos de fluxo de potência.
A Figura 3 ilustra um exemplo de curva Q-V. O ponto mínimo da curva é considerado como o nível crítico de tensão e o limite de estabilidade. A partir desse ponto, tem-se uma diminuição da tensão com o aumento da geração de potência reativa.
Figura 3 - Exemplo de curva QV
Fonte: MALANGE, 2006.
A distância entre o eixo horizontal até o ponto mínimo da curva corresponde a margem de potência reativa do sistema onde, se esse ponto mínimo encontrar-se acima
_____________________________________________________________________ do eixo horizontal, o sistema pode ser considerado deficiente de potência reativa. Caso o ponto crítico esteja abaixo, o sistema tem uma margem de reativos maior que zero.
2.5 MARGEM DE ESTABILIDADE DE TENSÃO
É de grande importância para a operação do sistema que se saiba previamente o quão distante o sistema encontra-se de uma situação de instabilidade. Assim ações preventivas podem ser tomadas evitando situações indesejadas. Com relação a instabilidade, um importante critério a ser analisado é a Margem de Estabilidade de Tensão (MET), também conhecida como margem de carregamento.
Por meio da MET, determina-se qual a quantidade adicional de carga que levaria o sistema a uma situação de colapso de tensão. É definido um modelo de acréscimo de carga de acordo com a simulação de interesse. Este modelo, geralmente, é definido como o de potência constante PQ, onde o acréscimo de carga é o próprio acréscimo de potência mantendo-se o valor do fator de potência inicial. Deste modo, pode-se traçar uma curva P-V do sistema para a determinação da MET.
Na Figura 4, a MET é representada como a distância entre o ponto de operação e o ponto de máximo carregamento.
Figura 4 - Definição da margem de estabilidade ou de carregamento
Fonte: Adaptado de VILELA, 2014.
Portanto, para a determinação da MET basta realizar pequenos incrementos de carga, recalculando o fluxo de potência a cada novo ponto de operação até atingir a extremidade da curva. O método utilizado neste trabalho para tal processo é o método do Fluxo de Carga Continuado, que baseia-se no método da continuação, e será abordado mais à frente.
2.6 FLUXO DE POTÊNCIA
O estudo do fluxo de potência (FP) em uma rede elétrica visa obter, através de seu cálculo, valores de grandezas elétricas, tais como: módulo e ângulo de tensões, potência ativa e reativa em diversos pontos do sistema elétrico.
Monticelli e Garcia (2003) define que o cálculo de FP tem por objetivo, através de uma modelagem estática, determinar o estado da rede e sua distribuição de fluxos, que são determinados através de equações obtidas pela primeira lei de Kirchhoff, na qual a soma das injeções de potência em uma barra deve ser nula, e pela segunda lei de Kirchhoff, sendo que essas potências são relacionadas à tensão na barra.
_____________________________________________________________________ Kagan, Oliveira e Robba (2010), apontam a finalidade do estudo de FP:
O cálculo das tensões nas barras de rede, permitindo a verificação do atendimento aos níveis de tensão tecnicamente corretos.
O cálculo da corrente e da potência que fluem pelos trechos da rede, permitindo a verificação da ocorrência aos seus limites de carregamento.
O cálculo das perdas, visando o alcance de uma condição operativa de melhor desempenho técnico e econômico.
Como mencionado anteriormente, o SEP deve garantir aos seus usuários continuidade de serviço além de garantir parâmetros de qualidade, como tensões máximas e mínimas nos pontos de entrega. Tendo em vista as bruscas variações do FP no decorrer do tempo, deve-se realizar uma série de estudos, visando garantir um fornecimento de qualidade e ininterrupto. O cálculo do FP também é de fundamental importância no planejamento da rede, sendo um dos instrumentos na determinação dos investimentos necessários para ampliação e/ou melhoria na geração, transmissão e distribuição.
O cálculo de FP é, em geral, realizado utilizando-se métodos computacionais desenvolvidos especificamente para a resolução do sistema de equações e inequações algébricas que constituem o modelo estático da rede. Seu estudo é utilizado pelas concessionárias e órgãos destinados a fiscalização e operação da geração e transmissão de energia elétrica na realização do planejamento do sistema.
2.6.1 Aplicações
A seguir, são mencionadas algumas aplicações do Fluxo de Potência.
Segurança: Com a simulação do fluxo de potência pode-se estimar eventuais violações dos limites de operação, podendo detectar problemas futuros, como por exemplo a perda de estabilidade de parte do sistema elétrico que por sua vez, pode causar a perda de transmissão de energia.
Planejamento e Operação: É utilizado no planejamento da expansão, onde novas configurações da rede são determinadas para atender ao aumento da demanda. Na operação, pode ser utilizado na análise de segurança, onde acidentes ou distúrbios são simuladas e o estado de operação da rede após a contingência é obtido. Eventuais violações dos limites de operação são detectados e ações de controle corretivo ou preventivo podem ser determinadas. Simulação de Sistemas Elétricos: Pode ser simulado casos que o sistema está
operando sob condições anormais, decorrentes da saída de operação de equipamentos como linhas de transmissão, transformadores e unidades geradoras.
2.6.2 Formulação Básica
Na formulação básica do problema, a cada barra da rede, são associadas quatro variáveis, sendo que duas delas entram no problema como dados e duas como incógnitas, (MONTICELLI e GARCIA, 2003):
Vk - magnitude da tensão nodal na barra k;
θk - Ângulo da tensão nodal na barra k;
Pk- Potência ativa líquida calculada na barra k;
Qk - Potência reativa líquida calculada na barra k.
Inicialmente são conhecidas somente duas variáveis em cada barra, as duas restantes são incógnitas e serão obtidas através da solução do fluxo de potência. Assim, definem-se três tipos de barras:
I) Barra de referência ou barra Vθ (ou Slack): - São dados Vk e θk;
_____________________________________________________________________ II) Barra de Geração ou barra PV:
- São dados Pk e Vk;
- São calculadosQk e θk;
III) Barras de Carga ou barra PQ: - São dados Pk e Qk ;
- São calculados Vk e θk;
As barras PQ e PV são utilizadas para representar, respectivamente barras de carga e barras de geração. A barra Vθ ou barra de referência, tem duas funções, fornecer a referência angular do sistema e também é utilizada para fechar o balanço de potência do sistema.
Ainda segundo Monticelli e Garcia (2003), para cada barra as equações de um problema de fluxo de potência impõem a primeira lei de Kirchhoff, na qual as injeções de potência ativa e reativa em uma barra são iguais a soma dos fluxos que deixam a barra através das linhas de transmissão e transformadores. Desta forma, obtêm-se as seguintes equações: 𝑃𝑘= ∑ 𝑃𝑘𝑚(𝑉𝑘,𝑉𝑚, 𝜃𝑘, 𝑚∈Ω𝑘 𝜃𝑚) (1) 𝑄𝑘+ 𝑄𝑘𝑠ℎ(𝑉 𝑘) = ∑ 𝑄𝑘𝑚(𝑉𝑘, 𝑚∈Ω𝑘 𝑉𝑚,𝜃𝑘,𝜃𝑚 (2) Em que:
k = 1,... N, sendo N o número de barras da rede; Ω K = conjunto das barras vizinhas da barra k;
Vk, Vm = magnitudes das tensões das barras terminais do ramo k-m;
Pkm = fluxo de potência ativa no ramo k-m;
Qkm = fluxo de potência reativa no ramo k-m;
Q𝑘𝑠ℎ = componente da injeção de potência reativa devido ao elemento shunt da barra k (Q𝑘𝑠ℎ = b𝑘𝑠ℎV𝑘2) sendo b
𝑘
𝑠ℎ a susceptância shunt ligada à barra.
As restrições de operação de um problema de fluxo de potência são formadas pelas restrições nas magnitudes das tensões nodais das barras PQ e pelos limites de injeções de potência reativa das barras PV:
𝑉𝑘𝑚𝑖𝑛≤ 𝑉
𝑘 ≤ 𝑉𝑘𝑚𝑎𝑥
(3) 𝑄𝑘𝑚𝑖𝑛 ≤ 𝑄
𝑘 ≤ 𝑄𝑘𝑚𝑎𝑥
Segundo Ferraz et al., (2000), quando próximo do ponto de carregamento máximo do sistema, a solução do fluxo de potência passa a sofrer problemas de convergência, devido a matriz Jacobiana se aproximar da singularidade. Dessa forma, o fluxo de potência continuado se torna uma ferramenta valiosa, devido ao fato de conseguir soluções mais próximas possível do ponto de máximo carregamento.
2.7 FLUXO DE POTÊNCIA CONTINUADO
Ferramentas capazes de estimar a margem de carregamento de um sistema elétrico, permitem analisar de forma segura e confiável, a estabilidade da tensão nas barras com relação ao seu carregamento atual e também com um suposto acréscimo de carga. Neste sentido, o método do fluxo de potência continuado (FPC) é utilizado para a determinação das margens de estabilidade de tensão e informações adicionais sobre o comportamento das tensões das barras do sistema. Com isso, podem ser obtidas curvas PV para diferentes cenários de crescimento de carga e geração.
_____________________________________________________________________ Segundo Van Custem e Vournas (1998), o cálculo de fluxo de potência continuado consiste em calcular várias vezes o fluxo de potência, porém, acrescendo, a cada solução, o parâmetro de continuação considerado (carga ou tensão eficaz).
Ajjarapu e Christy (1992) propuseram a formulação do Fluxo de Potência Continuado, com uma etapa de previsão seguida de um passo de correção, utilizando como parâmetros de continuação o incremento da carga e o módulo e a fase da tensão em uma barra para o traçado das curvas PV, como ilustra a Figura 5.
Figura 5 - Esquema de Previsão-Correção pelo FPC
Fonte: AJJARAPU E CHRISTY, 1992.
Após isso, foram desenvolvidas algumas alterações e adaptações do método, conforme mencionado por Neto e Alves (2008), que apresentam uma breve revisão bibliográfica com as técnicas elaboradas por Iba et al. (1991), Cañizares et al. (1992), Ajjarapu e Christy (1992), Chen e Wang (1997), dentre outras referências em relação às ferramentas e variáveis de parametrização para o desenvolvimento do FPC.
Com o FPC busca-se encontrar soluções consecutivas para os sistemas não-lineares de modo que a partir de uma solução conhecida, seja determinada pelo processo de previsão, uma estimativa que será a condição inicial para a correção e consequente convergência à nova solução.
O procedimento de previsão é necessário para a estimativa na região próxima à solução. A etapa de correção tem por objetivo corrigir a solução estimada, para que se alcance a solução dentro da precisão desejada, evitando, desta forma, a propagação de erros na obtenção da curva.
De acordo com Neto e Alves (2008), a técnica de parametrização local desenvolvida por Ajjarapu e Christy (1992) é tal que, ao se aproximar do ponto de máximo carregamento, o parâmetro adotado deixa de ser a carga, passa a ser a tensão nodal de maior variação e, após alguns pontos, volta a ser o carregamento. Esta técnica é uma das mais aplicadas nas rotinas e software de FPC e nela se baseia o módulo de fluxo de potência continuado do ANAREDE, usado no presente trabalho.
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3 GERAÇÃO DISTRIBUÍDA E A ESTABILIDADE DE TENSÃO
Como o propósito deste trabalho é analisar a estabilidade de tensão com a influência de geradores distribuídos conectados à rede de energia elétrica, neste capítulo são apresentados os conceitos de geração distribuída e como o aumento do nível de penetração deste tipo de geração pode afetar a rede a qual está conectada.
Inicialmente, é apresentada uma revisão bibliográfica sobre a GD incluindo sua conceituação por diversas instituições relacionadas ao assunto, as normas estabelecidas pela ANEEL e, finalmente, o impacto da GD na estabilidade e nos níveis de tensão.
3.1 CONCEITOS DE GERAÇÃO DISTRIBUÍDA
O conceito de Geração Distribuída possui diferentes definições de acordo com a literatura, isso decorre do fato de existirem muitos parâmetros técnicos envolvidos, como por exemplo, níveis de tensão, capacidade de geração, tipos fontes naturais utilizadas na geração de energia, etc. A definição de GD é exposta por diversas instituições relacionadas ao assunto, entre as principais pode-se citar:
O Institute of Eletrical and Eletronics Engineers (IEEE) define a GD como uma unidade de geração pequena o suficiente para ser conectada ao sistema de distribuição e estar próxima ao consumidor (CARDOSO, 2009).
Para o International Council on Large Eletric Systems (CIGRÉ), GD é a geração que não é planejada de modo centralizado, nem despachada de forma centralizada, não havendo um órgão que comande as ações da unidade de geração descentralizada (CARDOSO, 2009).
No Brasil, o Procedimento de Distribuição (PRODIST) define GD por centrais geradoras de energia elétrica, de qualquer potência, com instalações conectadas
diretamente no sistema elétrico de distribuição ou através de instalações de consumidores, podendo operar em paralelo ou de forma isolada e despachadas – ou não pelo ONS (PRODIST – Módulo 1, ANEEL, 2016).
Para o Instituto de Eficiência Energética (INEE) a GD é uma expressão usada para designar a geração elétrica realizada junto ou próxima dos consumidores independente da potência, tecnologia e fonte de energia (INEE, 2017).
3.2 ASPECTOS DA GERAÇÃO DISTRIBUÍDA NO BRASIL
No Brasil, fatores como o crescimento populacional, aumento da demanda por energia elétrica, redução de impactos ambientais negativos e a busca pelo desenvolvimento sustentável estimulam os investimentos, as pesquisas e a estruturação da GD.
Segundo o Balanço Energético Nacional de 2017, o Brasil dispõe de uma matriz elétrica de origem predominantemente renovável, com destaque para a geração hidráulica que responde por 68,1% da oferta interna de eletricidade, enquanto as renováveis representam 81,7% (EPE, 2017). Na Figura 6 é ilustrada a divisão da oferta de energia no Brasil.
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Figura 6 - Oferta Interna de Energia Elétrica por Fonte
Fonte: EPE, 2017.
Pode-se visualizar na Figura 6, que o Brasil é fortemente dependente de seus recursos hídricos para a geração de eletricidade, por isso, a pressão pelo aumento da geração com fontes renováveis é menor. Porém, esse modelo de geração, apesar de ser considerado confiável e robusto, é afetado com as mudanças climáticas, enfrentando dificuldades em manter o suprimento da demanda em períodos de estiagem, expondo assim a necessidade da diversificação da matriz energética.
Então, a fim de suprir a demanda por eletricidade, o Brasil precisa voltar-se para a utilização de outras fontes de energia. Dessa forma, a GD tem se mostrado como uma alternativa para os problemas enfrentados pelo setor elétrico. Para incentivar a GD de pequeno e médio porte (micro e minigeração) a Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL) editou a resolução normativa 482/2012, posteriormente modificada pela resolução normativa 687/2015, as quais formam a estrutura regulatória da GD atualmente vigente no país. A RN 482/2012 estabelece as condições gerais para o acesso de microgeração e minigeração distribuída aos sistemas de distribuição de energia elétrica e o sistema de compensação de energia elétrica (ANEEL, 2012). Esta resolução definiu a microgeração e a minigeração como:
I - Microgeração distribuída: central geradora de energia elétrica, com potência instalada menor ou igual a 75 kW e que utilize cogeração qualificada, conforme regulamentação da ANEEL, ou fontes renováveis de energia elétrica, conectada na rede de distribuição por meio de instalações de unidades consumidoras (ANEEL, 2012);
II - Minigeração distribuída: central geradora de energia elétrica, com potência instalada superior a 75 kW e menor ou igual a 3 MW para fontes hídricas ou menor ou igual a 5 MW para cogeração qualificada, conforme regulamentação da ANEEL, ou para as demais fontes renováveis de energia elétrica, conectada na rede de distribuição por meio de instalações de unidades consumidoras (ANEEL, 2012);
Acima de 5 MW, os sistemas são denominados como GD de grande escala. O Procedimento de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional – PRODIST, estabelece os procedimentos para acesso de micro e minigeradores ao sistema de distribuição no Módulo 3, seção 3.7. Conforme o Módulo 3, a micro e a minigeração distribuída consistem na produção de energia elétrica a partir de pequenas centrais geradoras que usam fontes com base em energia hidráulica, solar, eólica, biomassa ou cogeração qualificada, conectadas à rede de distribuição por meio de instalações de unidades consumidoras (PRODIST – Módulo 3, ANEEL, 2012).
A resolução normativa N° 482/2012 também estabelece o Sistema de Compensação de Energia Elétrica, ou Net Metering. Esse sistema se baseia na comparação dos montantes de energia gerada e consumida. Desse modo não existe venda da energia produzida na unidade distribuída e sim uma compensação do consumo: a energia ativa injetada pelas unidades consumidoras (UCs) dotadas de micro ou minigeração é cedida à distribuidora local e posteriormente compensada com consumo de energia elétrica ativa (TARANTO et al., 2017).
Atualmente diversas empresas vem atuando nesse mercado, instalando sistemas de GD, em especial a energia solar fotovoltaica. Segundo a ANEEL (2017), após a publicação da REN 482/12, iniciou-se no país um lento processo de difusão de micro e minigeradores distribuídos, até maio de 2017, tem-se no Brasil 10.561 consumidores com conexão de GD. A Figura 7 ilustra a distribuição dos geradores instalados por fonte de energia, indicando que a fonte solar fotovoltaica representa 99% do número total de instalações, seguida pela fonte eólica.
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Figura 7 - Conexão por tipo de fonte
Fonte: ANEEL, 2012.
Apesar do Brasil se encontrar consideravelmente atrasado em relação a países desenvolvidos como Estados Unidos e alguns da Europa, estão sendo dados alguns passos positivos em relação à diversificação de sua matriz energética. A regulamentação da GD e a adaptação das distribuidoras a este novo modelo de geração de energia, mostram que a Geração Distribuída se tornará cada vez mais presente na realidade do setor elétrico brasileiro.
3.3 IMPACTOS DA GD NA ESTABILIDADE
A geração distribuída quando conectada diretamente à rede elétrica em grande escala, pode vim a impactar o alimentador em que os geradores estão conectados. Nos próximos anos, esperam-se que muitas unidades de GD sejam conectadas à rede de distribuição. A diversidade tecnológica dessas unidades geradoras é grande e, muitas delas, diferem daquela utilizada nos geradores síncronos convencionais.
O impacto da GD na estabilidade do sistema pode ser negligenciado quando sua penetração é baixa. Entretanto, à medida que o nível de penetração aumenta, a GD pode começar a influenciar o comportamento dinâmico do sistema como um todo. Ainda, uma GD pode aumentar a estabilidade de um sistema se tecnologias e localizações adequadas forem selecionadas (SLOOTWEG e KLING, 2002).
Estudos realizados em Slootweg e Kling (2002), mostram resultados sobre impactos nas diferentes categorias de estabilidade:
- Estabilidade a pequenas perturbações: a utilização da geração distribuída melhora o amortecimento dos modos eletromecânicos e aumenta levemente sua frequência;
- Estabilidade transitória: o desvio máximo potência - ângulo entre os geradores diminui com o aumento da penetração da GD.
- Com o aumento da penetração da GD, a resposta da frequência mostra um comportamento mais rápido, com aumento no desvio máximo de frequência.
- O perfil de tensão nos terminais de carga mostra uma melhora devido ao uso de fontes ativas de GD próxima às extremidades dos alimentadores.
Conforme Costa (2014), para que os benefícios proporcionados pelas GDs sejam maximizados, é necessário aumentar a margem de estabilidade individual dos geradores, de forma a assegurar a operação contínua e confiável da GD e contribuir efetivamente para a estabilidade global da rede.
3.3.1 Variações de tensão
Como visto na seção 2.3, um dos aspectos necessários para realizar a análise da estabilidade de tensão de um SEP, é o diagnóstico do ponto de operação do sistema, o qual baseia-se na verificação, se o ponto de operação é estável em relação aos níveis de tensão.
_____________________________________________________________________ A variação de tensão é uma característica presente na rede elétrica. Porém sabe-se que um dos maiores compromissos das distribuidoras é entregar níveis de tensão adequados aos consumidores. No Brasil, estes valores são definidos pelo Módulo 8 do PRODIST.
Em um sistema tradicional, com geração centralizada, a tensão é mais elevada próxima a geração e é reduzida quando próxima as cargas. Esse fato ocorre em consequência da queda de tensão nas redes de transmissão e distribuição.
A introdução de GD em um sistema radial pode compensar, ou ao menos reduzir as quedas de tensão ao longo do alimentador. Essa elevação de tensão pode ser positiva, tendo em vista que pode regular os níveis de tensão ao longo do alimentador (PALUDO, 2014).
3.3.1.1 PRODIST: Módulo 8 – Tensão
A qualidade da tensão recebida pelo consumidor de uma concessionária de distribuição de energia elétrica deve ser avaliada a partir de alguns aspectos, entre eles está a qualidade do “produto”, esta relaciona à conformidade dos níveis de tensão em regime permanente.
Quando as tensões forem contratadas junto à distribuidora, e a tensão nominal de operação for maior que 1 kV, esta deverá manter-se entre 95% (noventa e cinco por cento) e 105% (cento e cinco por cento) da tensão nominal de operação do sistema, e ainda coincidir com a tensão de um dos terminais de que são derivados. Já para os consumidores que contratam uma tensão igual ou menor que 1 kV, a tensão deverá ser igual a própria tensão nominal do sistema (ANEEL, 2016b).
O PRODIST define para as redes de distribuição com tensões nominais maiores que 1 kV e menores que 69 kV, os níveis de tensão adequados, precários e críticos conforme a Tabela 1.
Tabela 1 - Pontos de conexão em Tensão Nominal superior a 1 kV e inferior a 69 kV
Tensão de Atendimento (TA)
Faixa de Variação da Tensão de Leitura (TL) em relação a Tensão de
Referência (TR)
Adequada 0,93TR≤TL≤1,05 TR
Precária 0,90TR≤TL≤0,93 TR
Crítica TL<0,90TR ou TL>1,05TR
Fonte: Aneel, 2010.
Neste trabalho, foi determinado que em regime normal de operação a tensão nominal deve estar entre 0.95 p.u. e 1.05 p.u..
_____________________________________________________________________
4 METODOLOGIA E MODELAGEM
Neste Capítulo, inicialmente é descrito as características do alimentador utilizado para o estudo de caso. Em seguida é elucidada a metodologia para a obtenção dos dados do alimentador e a modelagem deste no ANAREDE, software escolhido para a realização das simulações. Por fim, é descrito o método utilizado para validar o modelo construído.
4.1 ALIMENTADOR BASE PARA O ESTUDO
O alimentador AL-311, tomado como base para o estudo pertence ao sistema de distribuição primário de 23,1 kV do Departamento Municipal de Energia de Ijuí, no Estado do Rio Grande do Sul.
O alimentador é suprido pela subestação SE DEMEI e possui na sua totalidade 57,55 km de extensão de redes exclusivamente trifásicas, 221 transformadores de distribuição trifásicos, com uma potência instalada de 29.670 kVA. A Figura 8 mostra o alimentador AL-311, o qual está destacado na cor vermelha.
Figura 8 - Circuito Alimentador AL-311
Fonte: Plataforma E2MIG, 2017.
O alimentador AL-311 supre de energia prioritariamente os bairros Modelo, Assis Brasil, Jardim, Lambari, Sol Nascente e parte do Centro de Ijuí. Possui no total 8.702 consumidores conectados, com uma média de consumo mensal de 333,20 kWh. As classes com maior consumo médio é a industrial, com 2217,59 kWh, poderes públicos com 1297,23 kWh e comercial com 1234,80 kWh.
4.2 METODOLOGIA E OBTENSÃO DOS DADOS
Primeiramente, desenvolveu-se no software ANAREDE a modelagem do circuito alimentador AL-311, com a finalidade de simular o real comportamento deste sistema.
Para validar o modelo desenvolvido, foi realizado uma análise comparativa com o cruzamento de dados entre a simulação do FP no software ANAREDE e o software E2MIG utilizada pela concessionária.
_____________________________________________________________________ Após a certificação que a rede possui o comportamento esperado, é aplicado o FPC, com o sistema em condições normais de operação. Posteriormente, estas análises servirão como parâmetro para comparações dos casos em que a GD é introduzida no sistema. Todas as simulações foram realizadas no software ANAREDE, e as curvas são apresentadas pela ferramenta de extensão PlotCepel.
A Figura 9 ilustra resumidamente o diagrama esquemático da metodologia adotada para as simulações.
Figura 9 - Diagrama esquemático da metodologia empregada
Fonte: Elaborada pela autora, 2017.
4.2.1 Plataforma E2MIG
Os dados de configuração e caracterização da rede primária do Demei foram disponibilizados pela própria concessionária através do acesso à plataforma E2MIG.
Este software possui todas as informações técnicas e geográficas da rede elétrica do município de Ijuí.
Na Figura 10 apresenta-se a interface do software E2MIG, na identificação das cargas da rede do alimentador AL-311, o qual é representado pela cor vermelha.
Figura 10 – Identificação das cargas do alimentador AL-311
Fonte: Plataforma E2MIG, 2017.
Nesta plataforma, obteve-se os dados da rede, partindo da subestação de origem até a barra final. Foram consideradas barras do sistema: os postes com transformadores (cargas) e pontos de derivação de ramais do alimentador.
Levantadas o que serão as barras do sistema, tem-se conhecimento do posicionamento das cargas no alimentador e uma segmentação das linhas por trechos de barras de origem e barras de destino. Os dados dos transformadores e das linhas (resistência e reatância) foram levantados através do acesso a plataforma E2MIG. Com o auxílio desta plataforma, foi possível mapear toda a rede que abrange o alimentador AL-311.
_____________________________________________________________________ 4.3 O PROGRAMA DE ANÁLISE DE REDES – ANAREDE
Para realizar as simulações deste trabalho, foi escolhido um software de análise bem consolidado no mercado. O ANAREDE - Programa de Análise de Redes é um conjunto de aplicações computacionais desenvolvido pelo CEPEL (Centro de Pesquisas de Energia Elétrica) no sentido de tornar disponíveis algoritmos e métodos eficientes, adequados à realização de estudos nas áreas de operação e de planejamento de Sistemas Elétricos de Potência (CEPEL, 2011). Consiste dos seguintes programas: Programa de fluxo de potência, equivalente de redes, análise de contingências, análise de sensibilidade e tensão, redespacho de potência ativa e fluxo de potência continuado.
A tela inicial fornecida pelo software, está ilustrada na Figura 11. Pelo ícone “Inserir ou Desenhar Elemento”, é possível desenhar um diagrama unifilar e inserir todos os dados de uma rede elétrica real.
Figura 11 - Tela inicial do software ANAREDE
Fonte: ANAREDE, 2017.
Os resultados presentes neste trabalho são referentes a versão 10.01.03 com licença acadêmica.
4.3.1 Modelagem no ANAREDE
Com as informações disponibilizadas pelo DEMEI, através da plataforma E2MIG, foi possível construir a representação da rede física da concessionária no software ANAREDE, possibilitando a obtenção de um modelo com as mesmas características do circuito real. A Figura 12 ilustra a construção do diagrama unifilar da rede elétrica referente ao alimentador AL-311 no software ANAREDE.
Figura 12 - Diagrama unifilar do Alimentador AL-311
