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Análise de Estabilidade de Centrais de Geração

Distribuída em Operação Isolada

Douglas de Castro Karnikowski e Daniel Bernardon

Universidade Federal de Santa Maria - Avenida Roraima, 1000 - Camobi, Santa Maria – RS - Brasil, 97105-900

Luis Felipe Bianchi Carbonera, Ederson Madruga, Gilnei Dresch Niederle

Universidade Federal de Santa Maria - Avenida Roraima, 1000 - Camobi, Santa Maria – RS - Brasil, 97105-900

Resumo  As normas técnicas atuais determinam que a

operação da Geração Distribuída (GD) de forma isolada seja evitada. Entretanto, a utilização de GD de forma isolada proporciona diversos benefícios ao Sistema Elétrico, mas para sua utilização de maneira segura, diversos estudos devem ser realizados. Desta forma, é necessário analisar a estabilidade de sistemas de distribuição com GD operando de modo isolado. O objetivo deste trabalho é avaliar se a rede isolada pode se tornar instável no momento da desconexão do sistema principal e na ocorrência de distúrbios em operação isolada. As simulações são realizadas em ambiente Matlab® Simulink®, utilizando a biblioteca SimPowerSystems, onde o estudo de caso é realizado com uma GD do tipo Pequena Central Hidrelétrica (PCH).

Palavras-chaves  Geração Distribuída, Operação Isolada,

Regulador de Velocidade, Regulador de Tensão;

I.INTRODUÇÃO

A energia elétrica tem um papel fundamental para a sociedade, estando presente em praticamente todas as atividades realizadas pelo ser humano. Desta forma, é evidente a preocupação com o suprimento de energia elétrica, principalmente com o aumento do consumo, busca pelo aperfeiçoamento da qualidade e da confiabilidade do Sistema Elétrico. Existe ainda a preocupação ambiental com a emissão de gases poluentes na geração de energia e da escassez de novas fontes de geração de energia.

A procura por expandir a oferta de energia, faz com que novos conceitos de geração sejam avaliados. Por um longo tempo, os estudos e investimentos foram voltados para a implantação de grandes centrais de geração de energia elétrica. Geralmente, estas fontes de energia estão instaladas em lugares distantes dos grandes centros urbanos, devido à proximidade dos recursos para a geração, onde são conectados aos consumidores por longas linhas de transmissão. Tal definição caracteriza uma geração centralizada, onde as centrais de geração e as cargas são distintas e bem definidas. A partir da atual carência de novos recursos, faz-se necessário a criação de inovações na forma com que o Sistema Elétrico de Potência (SEP) é constituído. O conceito de Geração Centralizada (GC) é substituído por um sistema composto por pequenas centrais de geração dispersas próximas aos consumidores, esta configuração de geração vem sendo chamada de Geração Distribuída (GD).

A

GD proporciona diversos benefícios, como por exemplo, o aumento da confiabilidade do SEP, a diversificação da matriz energética, controle de tensão da rede, diminuição dos custos de transporte de energia, redução da necessidade da construção de grandes usinas e a criação de um novo mercado de geração de energia [1]. Entretanto, com a inserção da GD na rede de distribuição, o planejamento e a operação torna-se algo extremamente complexo, tornando-se um grande desafio para as concessionárias de energia manter o sistema de acordo com os critérios de qualidade e confiabilidade. Para viabilizar tal inovação, deve-se modernizar todo o sistema de transmissão, distribuição e geração de energia elétrica. As tecnologias de automação, computação e comunicações para monitoração e controle da rede elétrica devem ser incorporadas. Elas permitirão a implantação de estratégias de controle e otimização da rede de forma mais eficiente. Essa nova concepção do SEP vem sendo chamada de Smart Grid (Redes Inteligentes, traduzindo para o português) [2].

A Geração Distribuída possibilita o aumento da confiabilidade do SEP devido à possibilidade da mesma operar de forma isolada (sem estar interligadas ao Sistema Interligado Nacional (SIN)). A GD operando de modo isolado pode ser empregada para minimizar as perdas provocadas por grandes perturbações no SEP, suprindo as cargas do sistema e assim impedindo que os consumidores fiquem sem energia. De tal modo, que no momento que o sistema retorne a sua operação normal, a GD seja novamente conectada ao SIN.

As concessionárias de energia atualmente determinam que a operação da GD de forma isolada seja evitada, desconectando os geradores no instante que ocorre uma interrupção do SIN. São apontados diversos motivos para essa desconexão, entre eles pode-se citar: segurança das equipes da manutenção, modificação das características do SEP, ocorrendo à mudança dos níveis de curto-circuito e assim a necessidade da alteração dos ajustes dos relés de proteção [3]. Existe ainda a preocupação da conservação da qualidade de energia entregue aos consumidores onde os Reguladores de Velocidade e de Tensão de algumas GDs que podem não garantir total segurança neste quesito. O motivo é que muitos reguladores que operam no Brasil foram instalados antes do advento da GD e sem o seu devido projeto para operação isolada.

Além da qualidade em regime permanente devem-se considerar as condições de operação destas redes em condições transitórias, investigando se a microrede formada pelas GDs isoladas tem condições de manter a estabilidade após a ocorrência de distúrbios (conexão e desconexão de cargas ou de centrais de geração, curto-circuito, pequenas perturbações de carga, etc). Assim sendo, a análise da estabilidade de sistemas de Geração Distribuída em operação isolada possui uma importante função dentro dos estudos relacionados com as Smart Grids. Abrindo caminho para novos estudos da operação de sistemas isolados, possibilitando inovações no planejamento e na operação da rede elétrica de forma a aumentar a confiabilidade e a flexibilidade do SEP.

O foco deste artigo é analisar a estabilidade de sistemas de distribuição com GD operando isoladas do SIN. O objetivo é avaliar se a microrrede pode se tornar instável no momento do ilhamento (desconexão do sistema principal) e na ocorrência de distúrbios em operação isolada. As simulações são realizadas em ambiente Matlab® Simulink®, utilizando a biblioteca SimPowerSystems, onde o estudo de caso é realizado com uma GD do tipo Pequena Central Hidrelétrica (PCH).

II.ILHAMENTO DE CENTRAIS DE GERAÇÃO DISTRIBUÍDA O ilhamento ocorre quando uma parte do sistema elétrico é suprida unicamente por uma unidade, ou grupo, de geradores distribuídos isolados do sistema principal. O ilhamento pode ser provocado por faltas no sistema ou por manutenção programada. Na Fig. 1 é mostrado um exemplo de uma rede com GD que pode operar de forma isolada. A “ilha 1” é formada caso o disjuntor “A” abra, e a “ilha 2” é formada com a abertura do disjuntor “B”.

Fig. 1. Exemplo de possíveis ilhas em um sistema composto por duas GDs.

Para a GD operar de modo isolado é essencial à detecção de ilhamento com o menor tempo possível, assim podem-se atualizar os ajustes de proteção e controle dos relés e dos reguladores. Existem duas formas distintas na literatura de detecção do ilhamento, as técnicas locais e as técnicas remotas.

As técnicas remotas são baseadas na comunicação entre a concessionária, os dispositivos de proteção e manobra presentes na rede elétrica e os geradores distribuídos. A principal vantagem do emprego dessas técnicas é a elevada eficácia na identificação de situações de ilhamento. Como desvantagens estão os altos custos da instalação, uma vez que envolve o uso de esquemas sofisticados de comunicação, controle e aquisição de dados. Já o principio básico das técnicas locais é detectar o ilhamento usando medidas de tensões e correntes (ou outra grandeza elétrica) disponíveis no local de instalação do gerador distribuído [4].

III.ESTABILIDADE DE GERAÇÃO DISTRIBUÍDA EM OPERAÇÃO ISOLADA

O SEP é projetado com o objetivo fundamental de suprir a demanda de energia exigida pelos seus consumidores dentro dos limites de tensão e frequência adequadas. Além de ser capaz de operar em regime permanente, o SEP deve ser flexíveis na presença de defeitos ou perturbações de modo a garantir a continuidade do suprimento de energia. Entretanto, alguns distúrbios temporários ou variações normais da rede podem conduzir a situações de perda total ou parcial do sistema. Devido a tais ocorrências, surge o estudo da “Estabilidade do Sistema Elétrico”, onde a estabilidade pode ser definida como a condição em que diversas máquinas síncronas do SEP permanecem em sincronismo e no caso de instabilidade, haverá a perda de sincronismo das máquinas síncronas.

O sistema também deve se manter estável em regime permanente, sem ultrapassar os limites de tensão e de frequência da rede. Nas Tabelas I e II são mostrados os limites para a desconexão de centrais de geração conectadas a CEMIG (Companhia Energética de Minas Gerais) [5].

TABELA I. LIMITE DE FREQUÊNCIA.

Frequência Tempo de atuação

Sub frequência 58,5 Hz 10 segundos 56,5 Hz Instantânea Sobre frequência 62 Hz 30 segundos

66 Hz Instantânea

TABELA II. LIMITE DE TENSÃO.

Tensão Tempo de atuação

Sub tensão 0,8 pu 10 segundos

0,7 pu 1,5 segundos Sobre tensão 1,1 pu 10 segundos 1,2 pu 0,5 segundos

Para o ilhamento da GD deve-se fazer uma análise da demanda do sistema, com intuito de não ultrapassar os limites de geração da GD, que inviabilizaria qualquer tentativa da utilização de redes isoladas. Após a detecção de ilhamento deve-se alterar o controle do regulador de velocidade,

passando de um controle carga-frequência, para um controle isócrono (apenas controle de frequência) e assim mantendo a frequência em condições normais.

Em relação à Estabilidade Angular existem dois grandes estudos realizados pelas concessionárias de energia: estudos de Estabilidade Transitória e estudo da Estabilidade Dinâmica. A Estabilidade Transitória Angular trata da análise de fenômenos de oscilações eletromecânicas que acontecem entre os rotores das máquinas síncronas, quando sujeitos a distúrbios transitórios. A Estabilidade Dinâmica é a análise do comportamento do sistema após a ocorrência de pequenas perturbações, associadas basicamente a variação dos níveis de carga [6].

Quando acontece uma perturbação, como a entrada de uma nova carga no sistema, ocorre um transitório eletromagnético que exige parte da energia contida no campo magnético local, provocando uma queda na tensão. Depois do transitório eletromagnético há uma resposta mecânica do sistema, proporcionando um transitório eletromecânico, onde a nova carga é suprida pelos rotores das máquinas síncronas, ocorrendo imediata perda da energia cinética das partes girantes e assim uma redução da frequência do sistema. Em seguida o regulador de velocidade reestabelece a frequência aumentando a potência gerada. Posteriormente ao transitório o sistema volta a operar em regime permanente, onde os ângulos rotóricos e o fluxo de potência permanecem constantes. Em regime permanente todas as máquinas síncronas terão a mesma velocidade angular, onde a potência elétrica gerada é igual à soma das potências absorvidas pelas cargas e perdas da rede, mantendo o sistema em condição de equilíbrio (estável). Dependendo da magnitude do distúrbio o equilíbrio se desfaz, resultando na aceleração ou desaceleração dos rotores, fazendo com que o ponto de operação do sistema não volte, induzindo o sistema a instabilidade [7].

IV.MODELAGEM DO SISTEMA

O sistema de teste é mostrado na Fig. 2, onde ocorre a abertura do disjuntor DJ1 devido ao curto-circuito trifásico na barra 1, deixando a GD em operação isolada.

Fig. 2. Sistema elétrico em estudo

O modelo em estudo é um clássico sistema gerador/barra infinita, onde a GD é uma PCH de 30 MW e 13,8 kV. O gerador utilizado é uma máquina síncrona de polos salientes, suas características são apresentadas na Tabela III. O modelo utilizado é o modelo de máquina síncrona do SimPowerSystems do Matlab®.

TABELA III. PARAMETROS DO GERADOR.

Parâmetros Valor

Potência Aparente 31,5 MVA

Tensão terminal 13,8 kV

Td’ 1 segundo

Td” 0,05 segundos

Tqo” 0,2 segundos

Constante de inércia (H) 3 segundos

Xd” 0,3 pu

Xd’ 0,4 pu

Xd 1,2 pu

O modelo de turbina hidráulica e regulador de velocidade são mostrados na Fig. 3, ondo o modelo utilizado foi o WSHYDD do IEEE [8].

Fig. 3. Modelo turbina e regulador de velocidade.

Na Tabela IV são apresentados os parâmetros da turbina hidráulica e do regulador de velocidade.

TABELA IV. PARAMETROS DA TURBINA E DO REGULADOR DE VELOCIDADE. Parâmetros Valor Potência Ativa 30 MW ATURBTTURB 2 BTURBTTURB 2 Ki 0,205 Kd 1,9 Kp 1,5 Td 0,01 R 0,05 Kg 3 Tp 0,07

O modelo de regulador de tensão é mostrado na Fig. 4, o modelo é baseado na modelo MD01 do software Anatem, desenvolvido pelo CEPEL [9].

Fig. 4. Modelo regulador de tensão.

Na Tabela V são apresentados os parâmetros do regulador de tensão.

TABELA V. PARAMETROS DO REGULADOR DE TENSÃO

Parâmetros Valor Ka 200 Ta 0,001 Kf 0,01 Tf 0,05 Tm 0,02

O modelo de estabilizador do sistema elétrico utilizado é o PSS2B (Power System Stabilizer), este estabilizador é baseado na medição de frequência rotórica e da potencia ativa [1].

Fig. 5. Modelo IEEE PSS2b.

V.RESULTADOS E SIMULAÇÕES

A seguir são mostradas as simulações do sistema apresentado na Fig. 2, onde é aplicado um curto-circuito trifásico na barra 1 de 3 ciclos (50ms) no instante de 20 segundo, e logo após o disjuntor DJ1 é aberto, caracterizando um ilhamento da GD de 30 MW (1 pu).

Nas Fig. 6, 7, 8, 9 e 10 é apresentado o comportamento da frequência (freq), da potência elétrica (Pe), da potência mecânica (Pm), da potência acelerante (Pa) e da abertura do distribuidor da turbina (Y) nas condições de antes e depois do ilhamento, com a PCH gerando 22,5 MW (0,75 pu) em operação normal, variando apenas a carga remanescente no sistema após o ilhamento.

Na Fig. 6 é mostrado a PCH gerando 0,75 pu em operação normal e depois em operação isolada com uma carga de 0,55 pu, pode-se observar que a potência elétrica (Pe) muda rapidamente devido à rejeição de carga (0,2 pu), entretanto devido ao comportamento da turbina hidráulica, a potência mecânica leva mais de 20 segundos para voltar a operação em normal. A diferença entre as potências elétricas e mecânicas do sistema provocam o surgimento de uma

potência acelerante na máquina síncrona, provocando uma sobrefrequência de 11% (6,6 Hz maior que a frequência nominal da rede). Neste caso, devido ao limite máximo de frequência da Tabela I, a PCH seria retirada de operação pelo relé de sobrefrequência da usina.

Fig. 6. PCH com geração 22,5 MW antes do ilhamento e 16,5 MW na rede isolada.

Na Fig. 7 é mostrado a PCH gerando 0,75 pu em operação normal e depois em operação isolada com uma carga de 0,7 pu. Esta variação de carga provoca uma sobrefrequência de 3% com duração menor de 3 segundos, não sensibilizando o relé de proteção e assim a PCH continua em funcionamento, mas em operação isolada.

Fig. 7. PCH com geração de 22,5 MW antes do ilhamento e 21 MW na rede isolada.

Na Fig. 8 é mostrado o comportamento da rede com geração igual à carga da ilha antes e depois do ilhamento. Neste caso, não ocorre variação na frequência e o sistema continua em operação normal.

Fig. 8. PCH com geração de 22,5 MW antes do ilhamento e 22,5 MW na rede isolada.

Na Fig. 9 é mostrado a PCH gerando 0,75 pu em operação normal e depois em operação isolada com uma carga de 0,8 pu. Esta variação de carga provoca uma subfrequência de 2,5% com duração menor de 4 segundos, não sensibilizando o relé de proteção e assim a PCH continua em funcionamento em operação isolada.

Fig. 9. PCH com geração de 22,5 MW antes do ilhamento e 24 MW na rede isolada.

Na Fig. 10 é mostrado a PCH gerando 0,75 pu em operação normal e depois em operação isolada com uma carga de 0,9 pu, provocando uma subfrequência de 10% (6 Hz da frequência nominal). Neste caso, devido ao limite mínimo de frequência da Tabela I, a PCH seria retirada de operação pelo relé de subfrequência da usina.

Fig. 10. PCH com geração de 22,5 MW antes do ilhamento e 27 MW na rede isolada.

As simulações das Fig. 11, 12 e 13 apresentam o comportamento da PCH em operação isolada. Na Fig. 11 é comparado o comportamento da potência elétrica com e sem a utilização do PSS no regulador de tensão, após a aplicação de um curto-circuito trifásico de 120ms.

Fig. 11. Comportamento da potência elétrica após um curto-circuito trifásico de 120ms com e sem PSS.

Na Fig. 12 é mostrado o comportamento da PCH operando em modo isolado, onde é aplicado um degrau de carga de 1,5 MW (5%), que provoca um desvio da frequência na máquina síncrona de 2,53% (58,48 Hz) por 3 segundos e de acordo com a Tabela I, a PCH continuará em operação em modo isolado.

Fig. 12. Degrau de carga de 5% (1,5 MW).

Na Fig. 13 é mostrado o comportamento da PCH operando em modo isolado sendo aplicado um curto-circuito trifásico temporário de 50ms no instante de 20 segundos e com retirada de carga de 10% da carga após a abertura da proteção da barra 4.

Fig. 13. PCH em operação isolada com curto-circuito de 50ms e retirada de 10% da carga (0,75 pu para 0,65 pu).

VI.CONCLUSÕES

Este artigo teve o objetivo de analisar a estabilidade de geração distribuída operando de forma isolada no instante do ilhamento e na ocorrência de distúrbios com a GD em operação isolada. Foi simulado o comportamento do sistema para diferentes cargas antes e depois do ilhamento, com a finalidade de analisar se a GD se manterá em operação sem atuação do sistema de proteção no instante do ilhamento. Desta forma, verificou-se que a GD pode se manter em operação no instante de desconexão do sistema principal se a diferença entre a carga da PCH antes e depois do ilhamento não for muito significativa (entre -0,15 pu a 0,15 pu não ocorreu desvios de frequência que sensibilizassem o relé de sub/sobrefrequência).

Na análise da GD em operação isolada em regime permanente, a GD manteve-se em condições de operação mesmo na ocorrência de transitórios (curto-circuito e variação de carga). Na Fig. 11 comprovou-se que a utilização de uma malha para estabilização do sistema elétrico (PSS) no regulador de tensão diminui significativamente as oscilações eletromecânicas após um distúrbio temporário.

A partir das análises de estabilidade da operação isolada de centras de geração distribuída verificou-se que é possível a utilização da operação isolada para o aumento da confiabilidade do sistema, entretanto deve-se também analisar o sistema isolado nos critérios de proteção, automação e controle da rede.

VII.REFERÊNCIAS

[1] G. S. Cardoso, “Uma Visão Crítica do Cenário da Geração Distribuída no Brasil,” Santo André - SP, pp. 1- 136, 2001.

[2] D. Falcão, “Integração de Tecnologias para Viabilização da Smart Grid,” IEEE, pp. 1- 5, 2010.

[3] R. Londero, “Ilhamento Intencional da Geração Distribuída para Aumento da Confiabilidade do Sistema,” XIX Congresso Brasileiro de Automática. pp. 1- 6, 2012.

[4] J. C. M. Vieira, “Detecção de Ilhamento de Geradores Distribuídos: Uma Revisão Bibliográfica sobre o Tema,” Revista Eletrônica de Energia, vol. 1, no. 1, pp. 1- 12, 2011.

[5] CEMIG - Companhia Energética de Minas Gerais, “ND 5.31 - Requisitos para a conexão de Acessantes Produtores de Energia Elétrica ao Sistema de Distribuição Cemig – Conexão em Média Tensão,” Belo Horizonte - MG, pp. 1- 125, 2014.

[6] C. M. M. Fereira, “Análise da Estabilidade Transitória de Sistemas Eléctricos de Energia utilizando Formulações Híbridas,” Porto, pp. 1- 318, 2005.

[7] C. G. Mata, “Uma Contribuição na Análise da Estabilidade Transitória dos Sistemas Elétricos de Distribuição na Presença de Geração Distribuída,” Juiz de Fora, pp. 1- 122, 2005.

[8] IEEE, “Hidro Turbine”, vol. 7, 1992, pp. 167-179.

[9] CEPEL, Manual do Usuário - Anatem, Análise de Transitórios Eletromecânicos - V10.04.06, pp. 1- 155, 2012.