UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ
FERNANDO HENRIQUE ROCHA BAZZO KARINA YUMI YAMAUTI
IMPACTO DA GERAÇÃO DISTRIBUÍDA PARA A PROTEÇÃO DA REDE DE DISTRIBUIÇÃO
CURITIBA
2013
FERNANDO HENRIQUE ROCHA BAZZO KARINA YUMI YAMAUTI
IMPACTO DA GERAÇÃO DISTRIBUÍDA PARA A PROTEÇÃO DA REDE DE DISTRIBUIÇÃO
Trabalho de Conclusão de Curso de Graduação, apresentado a disciplina TE 105 – Projeto de Graduação, do Curso Superior de Engenharia Elétrica do Departamento Acadêmico de Engenharia Elétrica da Universidade Federal do Paraná – UFPR, como requisito para obtenção do título de Engenheiro Eletricista.
Orientador: Prof. M.Sc. Mateus Duarte Teixeira
CURITIBA
2013
AGRADECIMENTOS
Este trabalho não poderia ter sido realizado somente com os nossos esforços, por isso para chegar até aqui agradecemos primeiramente aos nossos pais pelo apoio e educação a nós prestados. Agradecemos a todos os professores da universidade que nos passaram conhecimentos em todos esses anos de curso.
Agradecemos também ao nosso orientador Prof. M.Sc. Mateus Duarte Teixeira que
nos mostrou as diretrizes de como chegar a este trabalho, ao LACTEC, que
forneceu toda a estrutura para a realização deste trabalho e a CPFL, que forneceu o
modelo do Painel Fotovoltaico para este estudo. Ao Pedro Augusto Biasuz Block que
nos ajudou no desenvolvimento do fusível, nas simulações e no aprendizado do
Software Matlab. Não poderíamos deixar de agradecer à Prof. Dra. Thelma
Fernandes e ao Prof. Dr. Alexandre Rasi Aoki, por terem aceitado o convite e terem
participado da banca de avaliação deste trabalho. E por fim, gostaríamos de
agradecer a todas as pessoas que também fizeram parte deste trabalho e que não
foram citadas acima.
RESUMO
BAZZO, Fernando Henrique Rocha; YAMAUTI, Karina Yumi. Impacto da Geração Distribuída para a proteção da Rede de Distribuição. Trabalho de Conclusão de Curso, Departamento Acadêmico de Engenharia Elétrica – Universidade Federal do Paraná, Curitiba, 2013.
A geração distribuída (GD) é uma forma de geração que vem ganhando cada vez mais espaço na matriz energética brasileira. Este crescimento se deve ao fato da GD apresentar benefícios como aumento da confiabilidade, redução de perdas, melhoria dos níveis de tensão, substituição das fontes convencionais e atendimento a áreas isoladas, se comparada às fontes convencionais de geração. Por isso torna- se imprescindível estudar o impacto que a geração distribuída causará no sistema de proteção da rede de distribuição de energia elétrica, quando inserido um painel fotovoltaico na rede de distribuição de baixa e média tensão. Assim, o objetivo deste trabalho é avaliar a atuação da proteção de sistemas elétricos de distribuição (BT/MT), quando os mesmos recebem a conexão/inserção de um Sistema de Geração Distribuída.
Palavras-chave: Geração Distribuída. Proteção. Fusíveis. Rede de Distribuição.
ABSTRACT
BAZZO, Fernando Henrique Rocha; YAMAUTI, Karina Yumi. Impact of Distributed Generation for the protection of the Distribution Network. Final Paper, Academic Department of Electrical Engineering – Federal University of Paraná, Curitiba, 2013.
Distributed generation (DG) is an increasing generation form in the Brazilian energy system. The growth is due to its benefits, such as, increased reliability, losses reduction, voltage level improvement, conventional sources replacement and service provided to isolated areas, when compared to conventional sources of generation.
Therefore the study of the distributed generation impact on the electrical grid system protection becomes indispensable. Thus, this paper presents some studies related to the DG impact on protection. Through simulations, the model was analyzed by taking into consideration different fault currents values in order to check the fuse operation time when used in a photovoltaic panel network of low distribution voltage. It is also analyzed the impact on the fuses coordination and selectivity while in medium distribution voltage, considering that a photovoltaic panel was employed. The objective of this work is to evaluate the performance of the protection of electrical distribution systems (LV/MV), when they get the connection/insertion of a System of Distributed Generation.
Key words: Distributed Generation. Protection. Fuses. Distribution Network
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Estatísticas da Geração Distribuída em âmbito Mundial ... 14
Figura 2 - Conceito de suprimento tradicional de energia elétrica ... 15
Figura 3 - Novo Conceito de Suprimento de Energia Elétrica ... 16
Figura 4 - Sistema de 13,8kV da COPEL ... 23
Figura 5 - Geração Eólica ou Fotovoltaica ... 27
Figura 6 – Curva de Operação da central micro ou minigeradora distribuída em função da frequência ... 30
Figura 7 – Relés ... 33
Figura 8 – Elo Fusíveis ... 35
Figura 9 - Posição dos Elos Fusíveis Protegido e Protetor ... 36
Figura 10 - Coordenação entre Religador de Subestação e do Fusível de Curva K . 39 Figura 11 - Diagrama de Blocos do Fusível ... 41
Figura 12 - Modelo do fusível no Matlab ... 42
Figura 13 - Modelo da Equação do fusível no Matlab ... 44
Figura 14 - Diagrama de Blocos Painel Fotovoltaico ... 45
Figura 15 - Modelo do Painel Fotovoltaico no Matlab ... 46
Figura 16 – Modelo a ser simulado na Baixa Tensão ... 47
Figura 17 - Modelo simulado no Matlab na Baixa Tensão ... 47
Figura 18 - Modelo a ser simulado na Média Tensão ... 48
Figura 19 - Modelo simulado no Matlab na Média Tensão ... 49
Figura 20 - Curva escolhida no Programa TableCurve ... 50
Figura 21 – Modelo Referência utilizado para a Validação do Fusível ... 51
Figura 22 – Gráfico da corrente de um sistema com falta 0,1 ohms ... 52
Figura 23 – Curva de 6K para a validação do fusível com falta de 0,1 ohms ... 53
Figura 24 - Gráfico da corrente de um sistema com falta 0,05 ohms ... 54
Figura 25 - Curva de 6K para a validação do fusível com falta de 0,05 ohms ... 54
Figura 26 - Gráfico da corrente de um sistema com falta 0,01 ohms ... 55
Figura 27 - Curva de 6K para a validação do fusível com falta de 0,01 ohms ... 56
Figura 28 - Modelo Caso 1 Baixa Tensão ... 58
Figura 29 – Gráfico da Tensão na Barra BT Caso 1 Baixa Tensão ... 58
Figura 30 – Gráfico da Corrente na Barra BT Caso 1 Baixa Tensão ... 59
Figura 31 - Modelo Caso 2 Baixa Tensão ... 60
Figura 32 – Gráfico da Tensão na Barra BT Caso 2 Baixa Tensão ... 60
Figura 33 – Gráfico da Corrente na Barra BT Caso 2 Baixa Tensão ... 61
Figura 34 – Gráfico da Tensão na Barra BPV Caso 2 Baixa Tensão ... 61
Figura 35 – Gráfico da Corrente na Barra BPV Caso 2 Baixa Tensão ... 62
Figura 36 – Gráfico com a Comparação Caso 1 e Caso 2 Baixa Tensão ... 62
Figura 37 – Modelo Caso 3 Baixa Tensão ... 63
Figura 38 – Gráfico da Tensão na Barra BPV Caso 3 Baixa Tensão ... 63
Figura 39 – Gráfico da Corrente na Barra BPV Caso 3 Baixa Tensão ... 64
Figura 40 – Gráfico da Corrente na Barra BT Caso 3 Baixa Tensão ... 64
Figura 41 - Modelo Caso 1 Média Tensão ... 66
Figura 42 - Gráfico da corrente da Barra B2 Caso 1 Média Tensão ... 66
Figura 43 - Modelo Caso 2 Média Tensão ... 67
Figura 44 - Gráfico da corrente na Barra BT Caso 2 Média Tensão ... 67
Figura 45 - Gráfico com a comparação do Caso 1 e Caso 2 Média Tensão ... 68
Figura 46 – Gráfico Seletividade na Barra BT Caso A Média Tensão ... 69
Figura 47 - Gráfico Seletividade na Barra B1 Caso A Média Tensão ... 69
Figura 48 - Gráfico Seletividade na Barra BT Caso B Média Tensão ... 70
Figura 49 - Gráfico Seletividade na Barra B1 Caso B Média Tensão ... 70
Figura 50 - Gráfico Seletividade com a comparação do Caso A e Caso B Média
Tensão ... 71
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Tabela da Geração atual de energia elétrica no Brasil... 13
Tabela 2- Conexão de acordo com os acessantes de Geração (COPEL) ... 24
Tabela 3 - Conexão de acordo com os acessantes de Geração (CPFL) ... 28
Tabela 4 - Tabela das proteções requeridas na conexão de centrais micro e minigeradoras ... 29
Tabela 5 - Dimensionamento dos elos fusíveis H e K ... 43
Tabela 6 – Casos Baixa Tensão ... 57
Tabela 7 - Casos Média Tensão ... 65
Tabela 8 - Tabela Resumo das simulações ... 72
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ... 12
1.1 CONTEXTO ... 12
1.2 OBJETIVOS ... 16
1.2.1 Objetivo Geral ... 16
1.2.2 Objetivos Específicos ... 16
1.3 JUSTIFICATIVA ... 17
1.4 ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO ... 17
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ... 19
2.1 RECOMENDAÇÕES E NORMAS ... 19
2.1.1 IEEE 1547 Standard for Interconnecting Distributed Resources with Electric Power Systems ... 20
2.1.2 IEEE 929 Standard: Recommended Practice for Utility Interface of Photovoltaic (PV) Systems ... 21
2.1.3 Procedimentos de Distribuição da Agência Nacional de Energia Elétrica (Prodist/ANEEL) –Módulo 3 ... 21
2.1.4 Resolução Normativa Nº482 (ANEEL) ... 22
2.1.5 Norma Técnica COPEL NTC 905100: Manual de acesso de Geração Distribuída ... 22
2.1.6 Norma Técnica CPFL – Conexão de Micro e Minigeração Distribuída sob Sistema de Compensação de Energia Elétrica ... 27
2.2 CONSIDERAÇÕES GERAIS DO CAPÍTULO ... 31
3 PRINCIPAIS DISPOSITIVOS DE PROTEÇÃO PARA DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA ... 32
3.1 RELÉS ... 32
3.1.1 Tipos ... 33
3.1.2 Classificação... 33
3.2 FUSÍVEL ... 34
3.2.1 Princípio de funcionamento ... 35
3.2.2 Classificação... 35
3.2.3 Coordenação de Fusíveis ... 35
3.3 RELIGADOR AUTOMÁTICO ... 37
3.4 CONSIDERAÇÕES FINAIS DO CAPÍTULO ... 39
4 MATERIAIS E MODELAGEM DOS SISTEMAS ELÉTRICOS ... 40
4.1 MATERIAIS ... 40
4.1.1 MATLAB® e Simulink®... 40
4.2 MODELO DO FUSÍVEL ... 41
4.3 MODELO DO PAINEL FOTOVOLTÁICO ... 44
4.4 MODELAGEM DOS SISTEMAS ELÉTRICOS ... 46
4.4.1 Baixa Tensão ... 46
4.4.2 Média Tensão ... 48
5 SIMULAÇÕES E RESULTADOS ... 51
5.1 VALIDAÇÃO DO FUSÍVEL ... 51
5.2 SIMULAÇÕES EM BAIXA TENSÃO ... 56
5.2.1 Resultados Obtidos ... 57
5.3 MÉDIA TENSÃO ... 65
5.3.1 Resultados Obtidos ... 65
5.4 CONSIDERAÇÕES FINAIS DO CAPÍTULO ... 71
6 CONCLUSÕES E TRABALHOS FUTUROS ... 73
6.1 CONSIDERAÇÕES FINAIS ... 73
6.2 TRABALHOS FUTUROS ... 74
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 75
ANEXO I ... 77
1 INTRODUÇÃO
1.1 CONTEXTO
A Geração Distribuída (GD) é o termo que se utiliza para a geração elétrica próxima dos consumidores, com potências iguais ou inferiores a 30 MW. Ela deixou de ser utilizada com intensidade no final da década de 40 do século passado, com o crescimento da geração hidrelétrica.
O crescimento da população, desenvolvimento tecnológico e melhorias na condição de vida de parte da população, tem impulsionado o aumento na demanda de energia. Paralelamente, o esgotamento do potencial hidroelétrico associado a questões ambientais, tem alavancado a busca por fontes alternativas de energia instaladas mais próximas dos centros de consumo, salientando-se assim, a importância da Geração Distribuída no Brasil e no mundo. Essa geração complementa o fornecimento de energia elétrica produzido pelas fontes convencionais, contribuindo para que a oferta seja suficiente para atender a demanda.
A GD traz uma série de benefícios como o aumento na confiabilidade,
redução de perdas, melhoria dos níveis de tensão, substituição das fontes
convencionais, redução de emissão de e de áreas alagadas, atendimento às
áreas isoladas, entre outros. Ela é responsável por 22,83% da energia elétrica
gerada no Brasil, chegando a mais de 28.535 MW de potência. A Tabela 1 mostra a
geração atual de energia elétrica no Brasil.
Tabela 1 - Tabela da Geração atual de energia elétrica no Brasil
Fonte: Banco de Informações de Geração (BIG) (2012)
Dentre os tipos de Geração Distribuída, a geração fotovoltaica é aquela com maior crescimento em termos globais, catapultada pela redução dos custos dos componentes (painéis e inversores). No Brasil, o potencial deste tipo de energia é promissor, visto que o país possui altos índices de radiação solar. Além disso, atualmente, o governo e as concessionárias de serviço público têm incentivado este tipo de geração, utilizando painéis fotovoltaicos em sinalização e fiscalização rodoviárias, iluminação pública, telecomunicações, entre outros. Outro exemplo está no projeto Luz Para Todos, o qual também utiliza a energia fotovoltaica para universalização da energia elétrica no país.
Contudo, em âmbito mundial, o Brasil ainda se situa em grande
desvantagem quando o assunto é geração fotovoltaica. Alemães e espanhóis são os
líderes no uso deste tipo de geração, como mostram os gráficos da Figura 1:
Figura 1 – Estatísticas da Geração Distribuída em âmbito Mundial Fonte: Fator Ambiental – Portal de Sustentabilidade (2011)
Muito embora a geração distribuída tenha um grande impacto positivo para a sociedade e mesmo para o sistema elétrico de potência, questões técnicas relevantes como impactos para a qualidade de energia e proteção de sistemas de distribuição devem ser tratadas com cautela, especialmente por parte das concessionárias de energia elétrica.
No que tange à proteção dos sistemas de distribuição de energia, relés e
fusíveis podem ter impacto direto em seus ajustes e tempos de atuação por redução,
ou mesmo, reversão do fluxo de potência. Vale lembrar que, a maioria das redes de
distribuição foram projetadas para operar radialmente, ou seja, a energia flui em uma
única direção: a partir de níveis de tensão superiores para inferiores, em direção aos clientes situados ao longo dos alimentadores radiais [SARABIA, 2011] (Figura 2).
Figura 2 - Conceito de suprimento tradicional de energia elétrica Fonte: Elaboração do autor (2013)
Na concepção de Geração Distribuída, a geração não é exclusiva do nível
de alta tensão para baixa tensão. Assim, parte da demanda de energia é fornecida
pela geração centralizada e outra parte é produzida pela geração distribuída (Figura
3).
Figura 3 - Novo Conceito de Suprimento de Energia Elétrica Fonte: Elaboração do autor (2013)
Neste sentido, este trabalho de conclusão de curso aborda os possíveis problemas que podem ser encontrados quando da concepção de atuação e coordenação entre dispositivos de proteção de sobrecorrente, para o caso em que a geração fotovoltaica é conectada a sistemas de distribuição de energia elétrica com características radiais.
1.2 OBJETIVOS
1.2.1 Objetivo Geral
O objetivo deste trabalho é avaliar a atuação da proteção de sistemas elétricos de distribuição (BT/MT), quando os mesmos recebem a conexão/inserção de um Sistema de Geração Distribuída.
1.2.2 Objetivos Específicos
Para se alcançar tal meta, foram definidos os seguintes passos:
Estudar informações sobre a GD;
Estudar as normas sobre a proteção da GD;
Estudar o dimensionamento de fusíveis;
Pesquisar sobre os impactos da GD em sistemas de Baixa e Média tensão;
Simular de sistemas com a conexão da GD;
Análise dos fusíveis quando se tem uma falta neste sistema.
1.3 JUSTIFICATIVA
O diferencial do projeto está no estudo, na compreensão, bem como o apontamento e desenvolvimento de soluções para um problema atual, o impacto de sistemas de geração distribuída para a proteção de sistemas elétricos de potência, que são de grande importância e para o qual ainda não existem muitas diretivas, especialmente em âmbito nacional.
Existem muitos trabalhos relacionados à conexão da Geração Distribuída e até mesmo à proteção deste sistema, mas ainda são escassas as informações sobre o impacto que esta conexão traz à proteção. Exemplos podem ser encontrados na Norma NTC 905100 – Manual de acesso de Geração Distribuída ao sistema da COPEL, na qual traz informações sobre a definição das condições para a conexão da Geração Distribuída dos acessantes e a Norma da IEEE Std 1547™, IEEE Standard for Interconnecting Distributed Resources with Electric Power Systems, onde apresenta estudos sobre o sistema fotovoltaico.
1.4 ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO
No capítulo introdutório deste trabalho, apresenta-se o problema a ser abordado, bem como seu contexto, a motivação e o objetivo geral destes estudos.
Em seguida, no segundo capítulo, faz-se uma revisão bibliográfica das
principais normas que dizem respeito à Geração Distribuída. No terceiro capítulo,
faz-se uma revisão sobre os principais dispositivos de proteção: relés, fusíveis e
religadores automáticos.
O quarto capítulo apresenta informações sobre o software a ser utilizado para as simulações e os modelos a serem realizados.
O quinto capítulo mostra as simulações e resultados de forma a viabilizar a
apresentação das conclusões deste trabalho. E por fim, no sexto capítulo serão
apresentados as considerações finais e os trabalhos futuros.
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
Conforme apresentado no capítulo anterior, a conexão de GD nos sistemas de distribuição de energia merece grande atenção, pois a redução do fluxo tradicional de potência pode trazer impactos para a operação de sistemas de proteção empregados na distribuição de energia elétrica.
Alguns estudos internacionais [COSTER, 2010] tem mostrado que a taxa de alteração das correntes de falta de um alimentador depende fortemente da habilidade da GD para contribuir para esta corrente. Além disso, é demonstrado que em sistemas fracos, durante uma falta de alta resistência, apesar do inversor, a GD pode contribuir decisivamente para a corrente de falta.
Com isto em mente, é de suma importância que as concessionárias de energia elétrica estejam preparadas para esta nova configuração de rede. Assim, será feito um estudo sobre os principais requisitos para a conexão de Geração Distribuída, especialmente aqueles dedicados à proteção de sistemas de energia, dando ênfase ao sistema fotovoltaico e em baixa tensão, que será o foco do projeto.
2.1 RECOMENDAÇÕES E NORMAS
A forte expansão da Geração Distribuída percebida nos últimos anos tem levado governos, órgãos reguladores e concessionárias de energia a correrem contra o tempo para estabelecerem as regras para que consumidores e investidores possam conectar sistemas de GD aos atuais sistemas elétricos de potência.
Dentre as normas e recomendações internacionais elaboradas para este fim, destaca-se sobremaneira as IEEE 1547 e IEEE 929. No que diz respeito à regulamentação brasileira, somente em 2012 a Agencia Nacional de Energia Elétrica (ANEEL) estabeleceu as condições gerais para o acesso de microgeração e minigeração distribuída aos sistemas de distribuição de energia elétrica, através da Resolução Normativa Nº 482, muito embora o Módulo 3 do PRODIST, já estabelecesse alguns critérios básicos a todos os acessantes.
Sendo assim, na sequência serão apresentadas algumas destas normas, as
quais serão analisadas sob a luz dos requisitos de proteção necessários a serem
observados para a conexão e operação de equipamentos de Geração Distribuída na rede de energia elétrica.
2.1.1 IEEE 1547 Standard for Interconnecting Distributed Resources with Electric Power Systems
Em 2003, o IEEE publicou um padrão normativo para auxiliar as concessionárias e os usuários de energia elétrica sobre a instalação de fontes modulares de geração de energia à rede elétrica. Trata-se do IEEE 1547 Standard for Interconnecting Distributed Resources with Electric Power Systems, o qual é composto por sete documentos:
IEEE Std 1547® (2003): IEEE Standard for Interconnecting Distributed Resource.
IEEE Std 1547.1® (2005): IEEE Standard for Conformance Test Procedures for Equipment Interconnecting Distributed Resources with Electric Power Systems: s with Electric Power Systems.
IEEE P1547.2®: Draft Application Guide for IEEE Std 1547-2003, IEEE Standard for Interconnecting Distributed Resources with Electric Power Systems.
IEEE P1547.3®: Draft Guide for Monitoring, Information Exchange and Control of Distributed Resources Interconnected with Electric Power Systems.
IEEE P1547.4®: Draft Guide for Design, Operation, and Integration of Distributed Resource Island Systems with Electric Power Systems.
IEEE P1547.5®: Draft Technical Guidelines for Interconnection of Electric Power Sources Greater than 10 MVA to the Power Transmission Grid.
IEEE P1547.6®: Draft Recommended Practice For Interconnecting
Distributed Resources With Electric Power Systems Distribution
Secondary Networks.
Os documentos citados acima apresentam requisitos importantes em relação ao desempenho, à operação, proposição de testes, à segurança e à manutenção associados com a conexão de GD ao sistema elétrico.
2.1.2 IEEE 929 Standard: Recommended Practice for Utility Interface of Photovoltaic (PV) Systems
A IEEE 929 contém orientação em relação ao equipamento e às funções necessárias para assegurar o funcionamento compatível de fotovoltaica (PV), sistemas que são ligados em paralelo com a companhia de eletricidade. Isso inclui fatores relacionados com a segurança pessoal, proteção de equipamentos, qualidade de energia e operação do sistema da concessionária. A norma também contém informações relativas ao ilhamento de sistemas fotovoltaicos, para o caso da concessionária não controlar a tensão e frequência, bem como as técnicas para evitar o ilhamento de fontes distribuídas.
No que diz respeito à proteção, esta norma somente aborda a proteção de pessoas e equipamentos, não trazendo informações sobre a proteção do sistema elétrico.
2.1.3 Procedimentos de Distribuição da Agência Nacional de Energia Elétrica (Prodist/ANEEL) –Módulo 3
Os procedimentos de Distribuição são documentos regulatórios na forma de regulamentações, normatizações e padronização que têm como objetivo possibilitar a conexão elétrica aos sistemas de distribuição por usuários garantindo que os indicadores de desempenho ou de qualidade de serviço sejam atingidos.
Assim, o Módulo 3 estabelece os estudos básicos, de responsabilidade do acessante, que devem avaliar tanto no ponto de conexão como na sua área de influência no sistema elétrico acessado os seguintes aspectos:
a) nível de curto-circuito;
b) capacidade de disjuntores, barramentos, transformadores de instrumento
e malhas de terra;
c) adequação do sistema de proteção envolvido na integração das instalações do acessante e revisão dos ajustes associados, observando- se estudos de coordenação de proteção, quando aplicáveis;
d) ajuste dos parâmetros dos sistemas de controle de tensão e de frequência e para conexões em alta tensão dos sinais estabilizadores.
2.1.4 Resolução Normativa Nº482 (ANEEL)
A presente resolução, publicada em 17 de Abril de 2012, estabelece as condições gerais para o acesso de microgeração e minigeração distribuídas aos sistemas de distribuição de energia elétrica e ao sistema de compensação de energia elétrica.
Todavia, este documento não aborda quaisquer questões técnicas ligadas ao sistema elétrico, a não ser pelo fato de que as distribuidoras deverão adequar seus sistemas comerciais e elaborar ou revisar normas técnicas para tratar do acesso de microgeração e minigeração distribuída, utilizando como referência os Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional – PRODIST, as normas técnicas brasileiras e, de forma complementar, as normas internacionais.
2.1.5 Norma Técnica COPEL NTC 905100: Manual de acesso de Geração Distribuída
Consiste em uma das normas técnicas da COPEL, cujo objetivo é fornecer os requisitos para acesso de geradores de energia elétrica no sistema de distribuição da COPEL para sistemas em Baixa Tensão (220/127 V), Média Tensão (13,8 e 34,5 kV) e Alta Tensão (69 e 138 kV).
Sobre os requisitos de proteção, a NTC 905100, estabelece o que segue nos itens subsequentes.
2.1.5.1 Requisitos técnicos de proteção para a conexão de geração distribuída
a) Sistema de Distribuição de 13,8 kV da COPEL
O sistema de 13,8kV da COPEL, é configurado em ligação Delta (triângulo) de Neutro isolado, aterrado por um Transformador de Aterramento, com relação, com frequência de 60Hz para proteção contra faltas fase-terra, sendo permitida a ligação de transformadores de distribuição monofásico entre fases e de trifásicos em delta/estrela aterrado, como mostra a Figura 4.
Figura 4 - Sistema de 13,8kV da COPEL
Fonte: Manual de Acesso de Geração Distribuída ao Sistema da Copel (2012)
b) Conexão ao Sistema de Distribuição
A conexão de geradores ao sistema de distribuição da COPEL é definida levando em conta a potência total instalada da geração. Em microgeradores, a conexão com a rede da COPEL será em BT. No caso de centrais geradoras com potência instalada de 76 a 100 kW, se o acessante requisitar a entrada em MT, serão mantidos os padrões existentes, já com conexão em BT, o caso será analisado pela COPEL. Para as conexões acima de 101 kW, as condições de acesso serão definidas pelo critério de menor custo global.
Para todas as análises de seleções das funções de proteção, sistemas,
medição, automação e dimensionamentos de todos os equipamentos, deverão ser
consideradas a potência total nominal instalada da planta geradora. Já para
definição do tipo de conexão (pingo ou circuito expresso), será considerada a potência máxima a ser despachada, conforme Tabela 2.
Tabela 2- Conexão de acordo com os acessantes de Geração (COPEL)
Acessantes de
Geração Conexão
Até 75 kW Diretamente em BT, dependendo da situação, pode ser feita através de transformador particular
76 kW até 300 kW Trifásica em MT, através de disjuntor de BT, relés de proteção e transformador exclusivo do acessante, ligado em pingo na rede de MT.
Fonte: Manual de Acesso de Geração Distribuída ao Sistema da Copel (2012)
Sobre o sistema de proteção, a norma NTC 905100 da COPEL estabelece que o acessante deverá analisar as situações relacionadas abaixo, sobre a operação da rede para as quais o sistema de proteção do mesmo deverá atuar, retirando de operação a geração própria:
Abertura manual do circuito alimentador na subestação;
Abertura do circuito alimentador na subestação por defeitos monofásicos, bifásicos e trifásicos, envolvendo ou não a terra;
Falta de fase(s) no acessante;
Perda do enlace do meio de comunicação da teleproteção (transfer- trip), quando houver;
Religamentos automáticos provenientes de equipamentos com dispositivos de recomposição automática do sistema elétrico.
Sobre o impacto para potência de curto circuito local a norma diz que no Ponto de Conexão, a operação em paralelo com a COPEL não deverá provocar potência de curto-circuito simétrico superior a 250 MVA para 13,8 kV e 500 MVA para 34,5 kV.
Todo sistema de proteção deve ser provido de uma proteção do sistema e
uma proteção do gerador, com exceção da microgeração com inversores, onde a
proteção do gerador é intrínseca ao mesmo.
c) Requisitos Gerais de Proteção
O sistema de proteção da rede deve:
Ser concebido para um sistema radial, ou seja, com apenas uma fonte de contribuição de curto-circuito, a fim de atender os requisitos de suportabilidade, sensibilidade, seletividade, rapidez e confiabilidade;
Ser adequado para operar em paralelismo permanente com usinas de produtores independentes, para minimizar impactos relacionados à segurança, suportabilidade, coordenação e seletividade dos equipamentos de proteção;
Atuar para os diversos tipos de curto-circuito na rede, retirando de operação a geração própria da unidade consumidora, de forma que não coloquem em risco a segurança de pessoas, animais e equipamentos.
Os ajustes de disparo dos equipamentos devem liberar a carga do circuito e também atender a sensibilidade para faltas fase-fase e para faltas fase-terra mínimo, considerando uma impedância de falta média de 40 ohms.
Para os casos em que as resistências de aterramento sejam de valores superiores a esses, o projetista deverá considerar os valores reais em todos os seus cálculos, na qual os valores de resistência de aterramento podem ser obtidos através de medições de resistividade de solo em todo o trecho de conexão com o sistema de distribuição da COPEL e o tempo de atuação das proteções é determinado a partir da suportabilidade e da seletividade dos equipamentos instalados a montante e a jusante.
Para a eliminação de faltas transitórias, os religadores são ajustados para operarem com religamentos automáticos e o número de religamentos depende da característica da carga (urbana, rural ou industrial) e conforme a característica construtiva (rede aérea, compacta, ou subterrânea - isolada).
d) Requisitos que deverão ser atendidos quando houver relés de proteção
(religadores):
Ser independentes das proteções do gerador;
Possibilitar sinalização individual das atuações das funções de proteção;
Possuir características técnicas e ensaios de tipo como os equipamentos utilizados pela COPEL (conforme especificações técnicas REL-01 e de relés);
Possuir protocolo de comunicação DNP3.0
Possibilitar a inclusão de senha para controle de acesso à parametrização das funções de proteção;
A caixa onde serão instalados os relés, TC, TP, baterias, Chaves de Aferição, deverá possuir dispositivo para lacre da COPEL.
Todos os esquemas e equipamentos de proteção do acessante (com exceção das proteções do gerador) deverão ser ensaiados observando as tolerâncias das normas vigentes para cada função, exceto para os microgeradores a inversor.
Para os casos de conexão em BT e MT, dependendo da tensão de conexão, do tipo de conexão, da potência de geração da usina e do local na rede onde será feita esta conexão, poderão ser exigidos diversos outros equipamentos de proteção, automação, comunicação, medição e adequações na rede:
Para o acesso de Potência de Geração menor ou igual a 75 kW, o diagrama
unifilar da Figura 5, mostra os principais tipos de proteção que são exigidos para
conexão da GD feita por meio de inversores de frequência ao sistema de distribuição
em BT.
Figura 5 - Geração Eólica ou Fotovoltaica
Fonte: Manual de Acesso de Geração Distribuída ao Sistema da Copel (2012)
Legenda:
EI = Elemento de Interrupção
ES = Elemento de Seccionamento e Desconexão M = Medidor de Energia Elétrica Bidirecional
2.1.6 Norma Técnica CPFL – Conexão de Micro e Minigeração Distribuída sob Sistema de Compensação de Energia Elétrica
Consiste em uma das normas técnicas da CPFL, na qual traz os requisitos
técnicos mínimos a serem implementados nas instalações elétricas de
consumidores, caso estes desejem conectar a rede de distribuição da CPFL seus
próprios sistemas de geração de eletricidade.
a) Sistema de Distribuição da CPFL
As Distribuidoras da CPFL Energia consideram valores diferentes de tensões nominais dependendo da localidade geográfica. Para a Cia. Paulista de Força e Luz (CPFL Paulista) o valor de Tensão da Rede Primária é de 11,9 a 13,8 kV e para a Rede Secundária de 127 a 220 e 220 a 380 V , já para Cia Piratininga de Força e Luz (CPFL Piratininga) o valor da Rede Primária vai de 13,8 a 23 kV e para a Rede Secundária 127 a 220 V.
A frequência nominal de operação é de 60 Hz, as redes de Distribuição da CPFL Energia são trifásicas, com neutro eficazmente aterrado, os valores nominais de tensão das redes primárias são fase-fase e os valores nominais de tensão das redes secundárias são apresentados em grupos de dois, sendo o menor valor a tensão entre qualquer fase e o neutro e o maior valor a tensão entre quaisquer duas fases.
b) Requisitos Gerais
A conexão a Rede da CPFL deverá ser conforme a Tabela 3:
Tabela 3 - Conexão de acordo com os acessantes de Geração (CPFL)
Potência Instalada Nível de tensão
< 10 kW Baixa Tensão (BT), monofásico, bifásico
ou trifásico
10 a 100 kW Baixa Tensão (BT), trifásico
101 A 500 kW Baixa Tensão (BT) ou Média Tensão
(MT), ambos trifásicos
501 kW a 1 MW Média Tensão (MT), trifásico
Fonte: Conexão de Micro e Minigeração Distribuída sob Sistema de Compensação de Energia Elétrica (2013)
c) Requisitos Específicos
c.1) Proteção; Seccionamento; Manobra
No que se refere às características de proteção e manobra aplicáveis ao ponto de conexão da unidade consumidora com micro e minigeração distribuída, consideram-se os requisitos a seguir descritos.
O padrão de entrada da unidade consumidora (UC) deverá ser modificado, para que a central micro ou minigeradora seja conectada por meio de dispositivo de seccionamento visível (DSV) e de um elemento de interrupção automática da corrente gerada ou consumida pela UC. Lembrando que o DSV deverá ser do tipo para manobra sob carga e também ser do tipo cuja alavanca de manobra tenha um dispositivo que permita introdução de lacre externo por pessoal técnico autorizado da CPFL.
Nos acessos à rede de baixa tensão (BT) de distribuição, o elemento de interrupção automática poderá ser o próprio inversor eletrônico, ou outro dispositivo a ele associado, que interrompa o fluxo de corrente da microgeração à rede da CPFL.
A Tabela 4 é uma síntese do conjunto mínimo das funcionalidades de proteção requeridas na conexão das centrais micro e minigeradoras, conforme sua potência (as células preenchidas com “x” indicam a obrigatoriedade da função):
Tabela 4 - Tabela das proteções requeridas na conexão de centrais micro e minigeradoras
Fonte: Conexão de Micro e Minigeração Distribuída sob Sistema de Compensação de Energia Elétrica (2013)
A CPFL poderá, conforme as características e ponto de conexão da micro ou
minigeração distribuída e após as avaliações que fizer em termos dos eventuais
impactos do acesso pretendido, propor proteções adicionais (ou mesmo funções de
supervisão e controle) quando justificadas tecnicamente. No caso de acesso à rede
primária de distribuição (MT), isso poderá ser mandatório.
Nas conexões que se fazem por intermédio de inversores eletrônicos (todas em BT e algumas em MT), a curva de operação (potência) da central micro ou minigeradora distribuída em função da frequência da rede da CPFL deverá ser conforme a Figura 6:
Figura 6 – Curva de Operação da central micro ou minigeradora distribuída em função da frequência Fonte: Conexão de Micro e Minigeração Distribuída sob Sistema de Compensação de Energia Elétrica (2013)
Onde P é a potência ativa injetada e P
Mé a máxima potência ativa da central geradora. Quando a frequência da rede ficar abaixo de 57,5 Hz ou acima de 62 Hz, a central deverá cessar a injeção de energia ativa à rede da CPFL em no máximo 0,2 segundos. Somente quando a frequência retornar a 59,9 Hz, após ter caído, ou retornar a 60,1 Hz, após ter subido, é que a central poderá voltar a injetar energia ativa em ambos os casos, respeitando um tempo mínimo de 180 segundos após a volta das condições normais de tensão e frequência na rede da CPFL (tempo este denominado de reconexão).
A menos que haja separação galvânica entre a rede da central geradora e a
da CPFL, por meio de transformador de isolamento, o micro ou minigerador
distribuído deverá cessar de fornecer energia à rede da CPFL em 1 segundo após
detectar que haja injeção de componente de corrente contínua que exceda 0,5 % da
corrente nominal da central geradora.
2.2 CONSIDERAÇÕES GERAIS DO CAPÍTULO
Conforme pode-se notar ao longo deste capítulo, todos os documentos analisados apresentam algum grau de preocupação com os aspectos voltados à proteção dos sistemas elétricos, quando estes recebem a conexão de geração distribuída.
Todavia, ficou evidenciado que para sistemas fotovoltaicos de baixa
potência, diversos equipamentos poderão trazer impactos cumulativos para a
proteção do sistema de média tensão das concessionárias de energia, evidenciando
a necessidade de se aprofundar nos estudos e aprimoramento dos dispositivos
responsáveis por garantir a proteção e integridade do sistema elétrico, como relés e
fusíveis.
3 PRINCIPAIS DISPOSITIVOS DE PROTEÇÃO PARA DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA
Toda a fundamentação teórica deste tópico está baseada na referência de Mamede Filho e Mamede (2011). As funções básicas de um sistema de proteção são de diminuir os riscos de vida e danos materiais, retirar de serviço um equipamento ou parte do sistema que se apresente defeituoso, melhorar a continuidade de serviço, diminuir despesas com manutenção corretiva e melhorar os índices DEC (duração de interrupção equivalente por consumidor) e FEC (frequência de interrupção equivalente por consumidor). Caso ocorra um defeito, a proteção deve eliminá-lo o mais rápido possível, fazendo com que o menor número de consumidores fique sem energia, durante o menor tempo.
Dentre os principais dispositivos empregados para a proteção dos sistemas de distribuição de energia elétrica, encontram-se os relés de sobrecorrente, relés de religamento automático e fusíveis. Na sequência alguns destes equipamentos serão abordados.
3.1 RELÉS
Os relés são dispositivos que comandam a abertura do disjuntor quando
surgem condições anormais de tensão, corrente, potência, impedância e ângulo de
fase no sistema elétrico. Estes dispositivos podem ser divididos por tipos,
classificação e seletividade.
Figura 7 – Relés
Fonte: Siemens - Relés (2013)
3.1.1 Tipos
Relé primário: pode ser conectado diretamente ao circuito e não necessita de fonte auxiliar.
Relé secundário: amplamente empregados nas instalações de médio e grande porte. Custos muito elevados, necessitam de transformadores redutores e alimentação auxiliar CC ou CA.
3.1.2 Classificação
Existe uma infinidade de relés, cada qual com seu tipo de construção e características. A seguir estão as classificações na prática dos relés:
a. Quanto a grandezas físicas de atuação – elétricas, mecânicas, térmicas, óticas;
b. Quanto ao tipo de grandezas de atuação – corrente, tensão, potência, frequência, pressão, temperatura;
c. Quanto ao tipo construtivo – eletromecânicos, mecânicos, eletrônicos, estáticos;
d. Quanto à função – sobre e subcorrente, tensão, direcional de
corrente, diferencial, distância;
e. Quanto à forma de conexão do elemento sensor – direto no circuito primário, através de redutores de medida;
f. Quanto ao tipo de fonte para atuação do elemento de controle – corrente alternada, corrente contínua;
g. Quanto ao grau de importância dentro do circuito onde está instalado – principal, intermediário ou auxiliar;
h. Quanto ao posicionamento dos contatos – normalmente aberto, normalmente fechado;
i. Quanto à aplicação – máquinas rotativas, máquinas estáticas, linhas aéreas, aparelhos em geral;
j. Quanto ao tempo de atuação – instantâneos, temporizados;
k. Quanto ao princípio de funcionamento – atração eletromagnética, indução eletromagnética.
l. Relé auxiliar: tem funções de multiplicador de contatos, sinalização, temporização, etc.
Dentre os diversos tipos de relés, o mais empregado, sobretudo em sistemas de distribuição de energia para proteção de alimentadores, são os relés de sobrecorrente temporizado (51) e o relé de sobrecorrente instantâneos (50), sempre associados a disjuntores.
3.2 FUSÍVEL
Os fusíveis são dispositivos que protegem os circuitos elétricos contra danos
causados por sobrecargas de corrente. Funcionam como válvulas, cuja finalidade
básica é interromper o circuito elétrico toda vez que o valor da corrente que flui pelo
alimentador excede um determinado nível de corrente, em um intervalo de tempo
definido.
Figura 8 – Elo Fusíveis
Fonte: Elo Elétricos e Crismeg – Elo fusível
3.2.1 Princípio de funcionamento
O elemento fusível é fabricado de modo que suas propriedades não sejam alteradas durante a passagem da corrente nominal, o fusível é capaz de fundir-se durante a passagem de uma corrente superior ao limite máximo previsto para fusão.
A interrupção só é obtida devido à ação de gases desionizantes gerados no interior do tubo protetor que protege o elo. Estes gases resultam da decomposição parcial da fibra isolante devido às altas temperaturas criadas durante a ocorrência de sobrecorrentes e ao ser liberados elevam a rigidez dielétrica e interrompe a corrente que estava em excesso.
3.2.2 Classificação
Quanto à característica de desligamento – efeito rápido, efeito retardado;
Quanto à tensão de alimentação – baixa tensão, alta tensão;
Quanto à tecnologia de fusão – fusíveis de expulsão, fusíveis limitadores de corrente.
3.2.3 Coordenação de Fusíveis
Por se tratar do dispositivo de proteção mais empregado em sistemas de distribuição de energia em média tensão, os fusíveis muitas vezes são empregados em série, a fim de se obter uma maior seletividade do esquema de proteção. Para tanto, é de fundamental importância ajustar os valores de corrente e tempo de atuação, de forma que tais equipamentos possam atuar de forma coordenada.
Assim, ao ocorrer um curto-circuito ou sobrecarga excessiva, a coordenação entre os elos fusíveis faz com que somente opere o elo fusível mais próximo da falta de sobrecorrente (elo fusível protetor), sem afetar os demais (elos fusíveis protegidos), para que isso ocorra, o tempo total de interrupção do fusível protetor deve ser menor que o tempo mínimo para a fusão do elo fusível protegido.
Figura 9 - Posição dos Elos Fusíveis Protegido e Protetor Fonte: Mamede Filho e Mamede (2011)
Para os estudos de coordenação, são utilizados curvas de tempo-corrente de seus fusíveis, evitando assim atuações indesejadas dos fusíveis ou a descoordenação destes por alteração das curvas.
São três tipos de elos fusíveis de distribuição: elo tipo K, H e T. Os elos tipo
K são do tipo rápido, são utilizados para a proteção de alimentadores e ramais. Os
elos tipo T são do tipo lento. E os elos do tipo H são do tipo alto surto, com alta
temporização para corrente elevadas. O Anexo I traz a curva de tempo-corrente do tipo K – Grupo A.
Os elos tipo K e T suportam continuamente aproximadamente 150% do valor de seus respectivos elos, enquanto os elos tipo H suportam aproximadamente 100%. Os elos tipo K e T começam a operar a partir de 2.0 x In. Os elos tipo H começam a operar a partir de 1.5 x In.
Para a escolha de um fusível coordenado a um sistema elétrico, calcula-se a corrente de ajuste multiplicando a corrente nominal do alimentador por 1,5. Então, escolhe-se uma curva do fusível acima a deste valor.
(1)
Os demais elos-fusíveis instalados à montante do anterior deverão obedecer aos seguintes critérios: a capacidade nominal do elo-fusível deverá ser igual ou maior do que 1,5 vezes o valor máximo da corrente de carga medida e a capacidade nominal do elo-fusível protetor deverá ser no máximo, um quarto (1/4) da corrente de curto-circuito fase terra mínimo no fim do trecho protegido por ele.
(2)
O elo protegido deverá coordenar com o elo protetor, pelo menos, para o valor da corrente de curto-circuito fase-terra mínimo no ponto de instalação do elo protetor.
A coordenação é considerada satisfatória quando o tempo total de interrupção do fusível protetor não exceder 75% do menor tempo de fusão de um elo fusível protegido.
3.3 RELIGADOR AUTOMÁTICO
Os religadores automáticos são usados para a proteção da saída e trechos
de alimentadores. Quando instalados nas saídas destes têm a mesma função dos
disjuntores/relés. Os religadores devem ser dimensionados para suportarem a
corrente nominal e para interromperem a corrente de curto-circuito máxima do seu ponto de instalação.
Com respeito ao funcionamento, os religadores operam da seguinte maneira:
1. Religador sente a sobrecorrente;
2. Contatos são abertos durante um determinado tempo, após o qual se fecham automaticamente;
3. Se a sobrecorrente persistir, a sequência de abertura e fechamento dos contatos é repetida até três vezes;
4. Após a quarta abertura, os contatos ficam abertos e travados.
Todos os religadores permitem até 4 desligamentos, podendo ter:
Todas as operações temporizadas;
Todas as operações rápidas; ou
Uma combinação entre elas.
Deve-se, de preferência, escolher uma sequência de operação com duas rápidas e duas temporizadas para minimizar a queima de fusíveis durante faltas transitórias.
O ajuste da corrente de pick-up é feito para valores superiores a 1,2 vezes a corrente nominal do trecho protegido, e inferior à corrente de curto-circuito bifásica.
A Figura 10 resume a atuação e coordenação de um religador com um
fusível de MT a jusante do mesmo.
Figura 10 - Coordenação entre Religador de Subestação e do Fusível de Curva K Fonte: Mamede Filho e Mamede (2011)
3.4 CONSIDERAÇÕES FINAIS DO CAPÍTULO
Conforme pode ser visto ao longo deste capítulo, a proteção de ramais e circuitos de distribuição de energia pode ser desempenhado por diversas configurações possíveis, cabendo aos engenheiros de cada concessionária decidir por aqueles que melhor satisfazem seus requisitos, baseados nas características de curto-circuito de cada alimentador, bem como na forma de atuação de cada equipamento. Até mesmo questões econômicas podem ser decisórias para a adoção de um ou outro esquema de proteção.
Desta forma, foi apresentado além da característica de atuação de relés, fusíveis e religadores, considerações acerca dos ajustes para a correta coordenação dos mesmos.
Assim, ficou constatado que, por terem seu desempenho altamente
influenciados pela corrente de carga dos alimentadores, qualquer alteração nestas
pode significar uma mudança também nos ajustes da proteção. Fato este que será
tema dos capítulos 4 e 5. O dispositivo a ser modelado e utilizado nas simulações é
o fusível, que será mostrado detalhadamente no capítulo 4.
4 MATERIAIS E MODELAGEM DOS SISTEMAS ELÉTRICOS
O estudo do impacto de inserção de novas tecnologias no sistema elétrico demanda, além do conhecimento tanto da rede elétrica, quanto do equipamento que se pretende conectar, a realização de simulações computacionais com a finalidade de se verificar o impacto desta alteração na configuração do circuito sob enfoque.
Assim, com a perspectiva da entrada massiva de geradores fotovoltaicos no sistema de distribuição de energia elétrica, é imperativo a realização de simulações computacionais que possam predizer os impactos desta fonte GD para as redes elétricas. No que diz respeito aos estudos do impacto para a proteção de sistemas elétricos, é de fundamental importância a correta modelagem dos dispositivos de proteção, de forma que se possa estimar de maneira fidedigna os impactos para as correntes de curto-circuito e os tempos de atuação.
Portanto neste capítulo serão apresentados, além da ferramenta computacional empregada para a realização das simulações, os modelos computacionais adotados para a realização das simulações computacionais determinantes para a estimação do impacto de geradores fotovoltaicos para a proteção de sistemas de distribuição.
4.1 MATERIAIS
Conforme mencionado, para se avaliar a atuação da proteção de um sistema, a ferramenta mais usual é a da simulação computacional. Com este intuito, os estudos foram realizadas no software MatLab®, que contém a extensão Simulink®, mais especificamente a toolbox SimPowerSystem®.
4.1.1 MATLAB® e Simulink®
O MATLAB® é uma abreviação de MaTrix Laboratory, é um software de
computação de análise e visualização de dados. Foi criado com o objetivo de
resolver operações matemáticas sobre matrizes, mas atualmente este objetivo é
bem mais amplo. É muito utilizado para resolver problemas de engenharia, mas
também resolve problemas de outras áreas.
É um software interativo de alta performance, uma ferramenta e uma linguagem de programação de alto nível, voltado para cálculo numérico, construção de gráficos e compilação de funções.
Esse programa possui uma extensão chamada Simulink ®, na qual é capaz de desenvolver e simular modelos do sistema elétrico de potência e permite criar dispositivos, tanto elétricos como matemáticos, como fusíveis e painéis fotovoltaicos empregados neste trabalho.
4.2 MODELO DO FUSÍVEL
O MatLab possui um bloco de fusível pronto, mas como não foi possível utilizá-lo, foi necessário o desenvolvimento deste dispositivo. A Figura 11 apresenta o diagrama de blocos deste fusível.
Figura 11 - Diagrama de Blocos do Fusível Fonte: Elaboração do autor (2013)
Este diagrama é dividido em nove blocos e seu funcionamento é descrito a seguir.
Iin: representa a corrente de entrada;
Iout: representa a corrente de saída;
Chave trifásica: representa o elo fusível;
Medidor: este bloco é responsável por enviar os valores de corrente trifásica senoidal para o próximo bloco;
Rms: o bloco rms transforma a corrente de entrada Iin em corrente
rms Irms;
Eq: neste bloco está contida a equação da curva de atuação do fusível, Anexo I, esta equação calcula através da corrente de entrada rms (Irms) o tempo t1 de atuação do fusível;
Limitador: limita os tempos de saída da equação entre 0 e 15 segundos, pois valores fora deste intervalo são desnecessários;
Comparador de correntes: quando a corrente de entrada Irms é maior que a menor corrente de atuação do fusível, este bloco envia um sinal para o comparador de tempos;
Comparador de tempos: quando o bloco anterior, comparador de corrente, enviar um sinal o comparador de tempos dispara um relógio que começará a contar o tempo t2, quando t2 for igual ao tempo da equação t1 o comparador de tempos enviará um sinal para a chave trifásica abrir.
A modelagem desse diagrama de blocos no Simulink é mostrada na Figura 12.
Figura 12 - Modelo do fusível no Matlab Fonte: Elaboração do autor (2013)
Para o dimensionamento do fusível próximo ao transformador, foi utilizado a
Tabela 5, onde o fusível escolhido depende da potência do transformador.
Tabela 5 - Dimensionamento dos elos fusíveis H e K
Escolha de elos fusiveis K e H Potência do
Transformador kVA
2,3 3,8 6,6 11,4 13,8 22 25 34,5
kV kV kV kV kV kV kV kV
3 2H 1H 0,5H 0,5H 0,5H 0,5H 0,5H 0,5H
5 3H 2H 1H 0,5H 0,5H 0,5H 0,5H 0,5H
7,5 3H 2H 1H 0,5H 0,5H 0,5H 0,5H 0,5H
10 5H 3H 2H 1H 1H 0,5H 0,5H 0,5H
15 6K 5H 2H 2H 1H 0,5H 0,5H 0,5H
25 12K 6K 5H 2H 2H 1H 1H 1H
30 15K 8K 5H 3H 2H 1H 1H 1H
37,5 20K 10K 6K 3H 3H 2H 2H 1H
Transformador monofásicos MRT (retorno pela terra)
3 3H 2H 1H 0,5H 0,5H 0,5H 0,5H 0,5H
5 5H 3H 1H 1H 0,5H 0,5H 0,5H 0,5H
7,5 6K 3H 2H 1H 1H 0,5H 0,5H 0,5H
10 8K 5H 3H 2H 2H 1H 1H 0,5H
15 12K 8K 5H 3H 2H 1H 1H 1H
25 20K 12K 6K 5H 3H 2H 2H 1H
30 12K 15K 8K 5H 5H 3H 2H 2H
37,5 30K 20K 10K 6K 5H 3H 3H 2H
Transformadores trifásicos
5 2H 1H 0,5H 0,5H 0,5H 0,5H 0,5H 0,5H
10 3H 2H 1H 0,5H 0,5H 0,5H 0,5H 0,5H
15 5H 3H 2H 1H 0,5H 0,5H 0,5H 0,5H
25 6K 5H 3H 2H 1H 0,5H 0,5H 0,5H
30 8K 5H 3H 2H 2H 1H 1H 0,5H
37,5 10K 6K 3H 2H 2H 1H 1H 1H
45 12K 8K 5H 2H 2H 1H 1H 1H
50 12K 8K 5H 3H 2H 1H 1H 1H
75 20K 12K 6K 5H 3H 2H 2H 1H
100 25K 15K 10K 5H 5H 3H 2H 2H
112,5 30K 20K 10K 6K 5H 3H 3H 2H
150 40K 25K 15K 8K 6K 5H 5H 3H
200 50K 30K 20K 10K 10K 5H 5H 5H
225 50K 40K 20K 12K 10K 6K 5H 5H
250 65K 40K 25K 15K 12K 6K 6K 5H
300 80K 50K 30K 15K 15K 8K 8K 5H
400 100K 65K 40K 20K 20K 10K 10K 8K
500 100K 80K 50K 25K 20K 12K 12K 10K
600 140K 100K 65K 30K 25K 15K 15K 12K
Fonte: Mamede Filho e Mamede (2011)
Para os demais fusíveis, o dimensionamento foi realizado através do cálculo da Equação 1, onde foi encontrado o fusível adequado. Após isto, utilizou-se o programa TableCurve para encontrar a sua respectiva curva, onde é preciso inserir os valores de tempo e corrente do fusível encontrado, valores estes fornecidos pelo fabricante. E por fim, esta curva é transformada em blocos no MatLab, como mostra a Figura 13.
Figura 13 - Modelo da Equação do fusível no Matlab Fonte: Elaboração do autor (2013)
4.3 MODELO DO PAINEL FOTOVOLTÁICO
O modelo do painel fotovoltaico usado nas simulações foi desenvolvido para
projetos de P&D da CPFL (Companhia Paulista de Força e Luz) em conjunto com o
LACTEC (Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento), o qual foi gentilmente
cedido para estes estudos. A Figura 14 mostra o diagrama de blocos deste modelo.
Figura 14 - Diagrama de Blocos Painel Fotovoltaico Fonte: Elaboração do autor (2013)
Este modelo do sistema fotovoltaico para cada arranjo conectado entre duas fases da rede está constituído em cinco subgrupos. A seguir a descrição de cada um destes subgrupos:
Painel Fotovoltaico + MPPT
Este subgrupo é constituído de 20 painéis KC125 TM e um inversor. O MPPT é um algoritmo que está incluso neste inversor. MPPT é utilizado para cálculo do máximo ponto de potência e controle de injeção de potência do circuito fotovoltaico na rede. A entrada deste subgrupo é a insolação e a saída é a potência de referência de entrada (Pref).
Controle de Corrente
Tem como objetivo entregar uma corrente constante que depende da potência que sai do primeiro subgrupo (Painel Fotovoltaico + MPPT). Ele é constituído por um controlador, PI, na qual aproxima a potência de saída (Psaída) com a potência de referência (Pref). Tem como entrada a potência de referência (Pref) e saída a corrente que será entregue pelo PV (Iref pk).
PLL (Phase Locked Loop)
Malha de captura de fase. Esse subgrupo tem como entrada a tensão da rede (Vrede) e gera um sinal senoidal de amplitude unitária (seno (wt)) em fase com o sinal de entrada, neste caso a tensão entre as fases onde está conectado o inversor.
Inversor
Este subgrupo corresponde ao modelo simplificado de um inversor. Neste, a amplitude de corrente de referência (Iref pk) é multiplicada pelo seno de amplitude unitária (seno (wt)).
Sistema de proteção de ilhamento
Este subgrupo permite que o sistema fotovoltaico desligue quando a tensão entre as fases for maior do que os limites de tensão estabelecidos pelo inversor.
A Figura 15 ilustra o modelo deste Painel no Matlab.
Figura 15 - Modelo do Painel Fotovoltaico no Matlab Fonte: Elaboração do autor (2013)
4.4 MODELAGEM DOS SISTEMAS ELÉTRICOS
4.4.1 Baixa Tensão
O sistema de BT a ser estudado é composto por: uma fonte de tensão, um fusível, um transformador abaixador, três condutores, três cargas e um painel fotovoltaico. A Figura 16 ilustra de forma simplificada este modelo. Vale comentar que este modelo tem característica apenas didática, sem a pretensão de reproduzir qualquer sistema real, a não ser pelo comportamento macro.
Figura 16 – Modelo a ser simulado na Baixa Tensão Fonte: Elaboração do autor (2013)
Este modelo no software Matlab apresenta-se da seguinte forma:
Figura 17 - Modelo simulado no Matlab na Baixa Tensão Fonte: Elaboração do autor (2013)
34,6kVA 150 kVA
