tcc arthur v2

5/21/2018 TCC Arthur V2

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Instituto Federal de Educao, Cincia e Tecnologia

de Minas Gerais - Campus Formiga

Curso de Engenharia Eltrica

UTILIZAO DE ENERGIA ELICA COMO UMA AO DE CONTROLE EM

SISTEMAS COM BAIXA MARGEM DE REATIVOS NA CURVA QV

Arthur Moura Camargos de Freitas

Formiga - MG

Julho - 2014


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Monografia apresentada ao Instituto Federal

de Educao, Cincia e Tecnologia de Minas

Gerais Campus Formiga,como requisito

obrigatrio para obteno do ttulo deBacharelado em Engenharia Eltrica.

rea de Concentrao: Sistemas Eltricos

de Potncia.

Orientador:.

Formiga - MG

Julho - 2014


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Monografia apresentada ao Instituto Federal

de Educao, Cincia e Tecnologia de Minas

Gerais Campus Formiga,como requisito

obrigatrio para obteno do ttulo de

Bacharelado em Engenharia Eltrica.

Avaliado em: ___ de ________________ de ______.

Nota: ______

BANCA EXAMINADORA

___________________________________________________________

Prof.

___________________________________________________________

Prof.

___________________________________________________________

Prof.


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AGRADECIMENTOS

Agradeo primeiramente a Deus por tudo que me deu, pois sem ele sei que

nada posso.

Agradeo aos meus familiares principalmente minha me Maria de

Fatima que meu exemplo, meu padrasto Jos Gonsalvez, a todos os meus

parentes que me ajudaram sempre principalmente minhas tias Marins e Marlis e ao

meu tio Clio.

Agradeo a todos os meus irmos de repblica: Gabriel, Samir e

Robson e aos meus tantos amigos que fiz durante esta jornada.

Ainda agradeo a todos os funcionrios do IFMG mesmo os seguranas e as

faxineiras.

Agradeo especialmente aos meus irmo Lannay e Hurik que foram minha

motivao a no desistir do curso.


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RESUMO

Dentro da rea de estabilidade de sistemas eltricos de potncia, existe

aquela que se preocupa com o comportamento da carga, que so estudos de

estabilidade de tenso. A instabilidade de tenso caracterizada principalmente

pelos afundamentos de tenso, podendo ser de curta durao, em torno de alguns

segundos, ou de longa durao passando de alguns minutos. Se as protees no

conseguirem resolver este problema, o sistema pode sofrer um colapso de tenso

em parte do sistema ou em toda a sua extenso.

Neste trabalho ser avaliado o comportamento da curva QV das barras

geradoras de um determinado sistema eltrico a sada de linhas de transmisso.

Para a realizao dos estudos em regime permanente ser utilizado o programa

computacional ANAREDE, desenvolvido pelo CEPEL. As simulaes de fluxo de

potncia permitem encontrar um ponto de operao do sistema. Tambm ser

simulado o comportamento dinmico do sistema por meio do programa ANATEM,

tambm de autoria do grupo CEPEL.

Para as condies de sistemas onde foi encontrada instabilidade dinmica,

pretende-se utilizar geradores elicos como ao de controle corretiva.

Palavras Chave:Fluxo de Potncia, Estabilidade, sadas de linhas de transmisssso,

aerogeradores.


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ABSTRACT

Within the area of stability of electric power systems, there is one that is

concerned with the behavior of the load, which are studies of voltage stability. The

voltage instability is mainly characterized by voltage sags, may be short, around a

few seconds, or long-lasting from a few minutes. If the protection system can not

resolve this problem, the system may experience a voltage collapse of the system in

part or in its entire.

This work will assess the behavior of the generating curve QV bars of a given

electrical system the output of a transmission line. For the studies permanently

ANAREDE the computer program developed by CEPEL will be used. The power flow

simulations allow to find an operating point of the system. You will also simulated the

dynamic behavior of the system through the program ANATEM also authored CEPEL

group.For systems where the conditions of dynamic instability was found, we intend

to use wind generators as corrective action control.

Keywords: Power Flow, Stability, transmission lines output, wind turbines.


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LISTA DE FIGURAS

Figura 1 - Curva QV e Margem de Carga Reativa .................................................... 24

Figura 2 - Potencia reativa do gerador da barra 1 do sistema de 14 barras instvel 29

Figura 3 - Potncia reativa do gerador da barras 2 do sistema de 14 barras instvel

.................................................................................................................................. 29


.................................................................................................................................. 30

Figura 5 - Potncia reativa da barra 6 do sistema de 14 barras instvel ................... 30

Figura 6 - Potncia reativa da barra 8 do sistema de 14 barras instvel ................... 30

Figura 7Tenso no gerador 1 para o sistema estvel de 5 barras na sada da LT 2-

4. ............................................................................................................................... 32


4. ............................................................................................................................... 32


5 circuito 1. ................................................................................................................ 33

Figura 10Tenso no gerador 2 para o sistema estvel de 5 barras na sada da LT

3-5 circuito 1. ............................................................................................................. 33

Figura 11Tenso no gerador 1 para o sistema estvel de 5 barras na sada da LT

3-5 circuito 2. ............................................................................................................. 34

Figura 12Tenso no gerador 2 para o sistema estvel de 5 barras na sada da LT3-5 circuito 2. ............................................................................................................. 34

Figura 13 - Potncia reativa da barra 1 do sistema de 14 barras estvel ................. 35





Figura 18 - Moinho de vento utilizado para drenagem de pntanos .......................... 40


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Figura 19 - Principio de funcionamento bsico de um aerogerador. ......................... 47

Figura 20 - Sistemas de gerao usados em aerogeradores .................................... 48

Figura 21 - Potencia reativa do gerador da barra 1 do sistema de 14 barras instvelcom DMOT ................................................................................................................ 51

Figura 22 - Potencia reativa do gerador da barra 2 do sistema de 14 barras instvel

com DMOT ................................................................................................................ 51


com DMOT ................................................................................................................ 51


com DMOT ................................................................................................................ 52


com DMOT ................................................................................................................ 52

Figura 26 - Potencia reativa do gerador da barra 1 do sistema de 14 barras estvel

com DMOT e banco de capacitores .......................................................................... 54

Figura 27 - Potencia reativa do gerador da barra 2do sistema de 14 barras estvel







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LISTA DE TABELAS

Tabela 1- Relao da curva QV com fator de carga, sistema com 5 barramentos. .. 26

Tabela 2- Relao da curva QV com fator de carga, sistemas com 14 barramentos.

.................................................................................................................................. 26

Tabela 4- Comportamento dinmico considerando o sistema com margem Negativa

de potncia reativa para o sistema com 5 barramentos. ........................................... 27

Tabela 5- Comportamento dinmico considerando o sistema com margem negativa

para o sistema com 14 barramentos. ........................................................................ 28

Tabela 6 - Valores das tenses terminais dos geradores do sistema de 5 barras

antes e depois do aumento ....................................................................................... 31

Tabela 7 - Valores das tenses terminais dos geradores do sistema de 14 barras

antes e depois do aumento ....................................................................................... 31

Tabela 8 - Margem da curva QV dos geradores do sistema de 5 barras aps a

estabilidade para fator de carregamento de 1,5 ........................................................ 37


estabilidade para fator de carregamento de 1,8 ........................................................ 37

Tabela 10 - Potencial Elico eltrico estimado do Brasil ........................................... 44

Tabela 11- Valores de potncia reativa mnimas e mximas dos geradores dados do

circuito dos barramentos ........................................................................................... 53


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LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

1N5 Cabo de Ao Aluminizado

ANEEL Agncia Nacional de Energia Eltrica

BEN Balano Energtico Nacional

BT Baixa Tenso

CA Cabo de Alumnio

CAA Cabo de Alumnio com Alma de Ao

CEMIG Companhia Energtica de Minas Gerais

EPE Empresa de Pesquisa Energtica

ET Estao Transformadoras

GRASP Greedy Randomized Adaptive Search Procedure

IBGE Instituto Brasileiro de Geografia e Estatstica

IDH ndice de Desenvolvimento Humano

LT Linhas de Transmisso

MT Mdia Tenso

NBI Nvel Bsico de Isolamento

PRODIST Procedimentos de Distribuio de Energia Eltrica no Sistema Nacional

SE Subestao de Energia Eltrica

VAN Vo Anterior

VPO Vo Posterior


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SUMRIO

AGRADECIMENTOS ................................................................................................. III

RESUMO................................................................................................................... IV

ABSTRACT ................................................................................................................ V

LISTA DE FIGURAS ................................................................................................. VI

LISTA DE TABELAS ............................................................................................... VIII

1. Captulo 1 ............................................................................................................ 12

1.1. INTRODUO ................................................................................................ 12

1.2. ENTENDENDO MELHOR O QUE O SEP ................................................... 12

1.3. OPERADOR NACIONAL DO SISTEMA (ONS) ............................................... 13

1.4. OBJETIVOS GERAL E ESPECFICO ............................................................. 15

1.5. CARACTERIZAO DO PROBLEMA ............................................................ 15

1.6. REVISO BIBLIOGRFICA ............................................................................ 16

1.7. VISO GERAL DO TRABALHO ...................................................................... 19

2. Captulo 2 ............................................................................................................ 20

2.1. CONCEITO DE ESTABILIDADE ..................................................................... 20

2.2. CURVA QV ...................................................................................................... 23

2.3. ALTERAO DAS TENSES TERMINAIS .................................................... 312.4. MUDANA DO VALOR DAS MARGENS DA CURVA QV .............................. 37

3. Captulo 3 ............................................................................................................ 39

3.1. A ENERGIA ELICA ....................................................................................... 39

3.2. HISTRIA DA ENERGIA ELICA .................................................................. 39

3.3. CENRIO BRASILEIRO .................................................................................. 42

3.4. AEROGERADORES ....................................................................................... 44

3.5. MQUINAS DE INDUO .............................................................................. 49


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3.6. SIMULAO REALIZADA .............................................................................. 50

4. Captulo 4 ............................................................................................................ 56

4.1. TRABALHOS FUTUROS................................................................................. 56

4.2. CONCLUSO .................................................................................................. 57

5. REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS .................................................................... 58

ANEXO AFLUXO DE POTNCIA NO ANAREDE O CDIGO DE EXECUO

DBAR ONDE DESCRITA AS BARRAS CA DO SISTEMA DE 5 BARRAS............ 63

ANEXO BFLUXO DE POTNCIA NO ANAREDE O CDIGO DE EXECUO

DBAR ONDE DESCRITA AS BARRAS CA DO SISTEMA DE 14 BARRAS.......... 64

ANEXO CEXEMPLO DA FUNO DMOT DO MANUAL DO ANAREDE ............ 65


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1. Captulo 1

1.1. INTRODUO

O Brasil apresenta grande potencial em recursos hdricos, por isso um dos

pases que mais utiliza deste potencial para gerar energia atravs das hidroeltricas.

Entretanto, desde a crise energtica de 2001, causada pelos baixos nveis de gua

em seus reservatrios, levou a uma transformao no setor eltrico brasileiro

aumentando significativamente preocupao com a dependncia do pas em relao

a essa matriz.

O aumento da demanda e do consumo de energia no Brasil (EMPRESA DEPESQUISA ENERGGITICA -EPE, 2014), assim como a diminuio das fontes de

combustveis fosseis em todo mundo, tem causado a mudana no setor de energia

eltrica para a utilizao das chamadas fontes renovveis, principalmente tentando

manter a sustentabilidade. Esta mudana tem como intuito a diminuio da

dependncia de fontes no renovveis e no poluentes. Diante desse fato, a

obteno de energia oriunda de outras fontes inclusive a energia elica

fundamental para evitar futuros colapsos de energia.

Esta tecnologia se distingue em comparao a outras fontes de energia

renovveis devido a sua maior confiabilidade e bom rendimento (MOURA, 2011), os

investimentos e pesquisas neste tipo de tecnologia tm avanado rapidamente nos

ltimos anos (MOURA, 2011). Assim, a energia elica tornou-se uma energia

renovvel em constante crescimento sendo capaz de competir com os outros tipos

de energia existentes.

Grandes parques elicos esto sendo criados e integrados ao sistema eltrico

de potncia (SEP) em diferentes tenses. Devido a este crescimento de sua

participao e a sua maior integrao rede eltrica, este tipo de energia passou a

ser objeto de vrios estudos.

1.2. ENTENDENDO MELHOR O QUE O SEP

Os sistemas eltricos de potncia (SEP) so constitudos basicamente por

geradores, transformadores (elevadores e abaixadores), linhas de transmisso,

reguladores de tenso e alimentadores de distribuio. Os geradores convertem


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algum tipo de energia em energia eltrica que transferida para a linha da rede de

transmisso. Como geralmente os geradores ficam afastados das cargas as tenses

das linhas de transmisso so elevadas (138KV , 230KV e 500KV) diminuindo assim

as perdas. Logo os geradores geram energia eltrica de 10 a 30 KV, em seguida a

tenso elevada para os nveis de transmisso por meio dos transformadores.

Bem como os nveis de tenso de transmisso so muito elevados para ser

consumida pelas cargas, a energia passa por transformadores abaixadores para

reduzir o nvel de tenso desejado para ser distribudos.

Os SEPs podem operar sob constantes distrbios e variaes, conforme a

mudana das caractersticas das cargas e dos chaveamentos da rede. Ao seranalisado, pode-se supor que o sistema esteja incialmente operando sem estas

variaes, logo estando em regime permanente. Para que o sistema opere

satisfatoriamente e para um bom fornecimento de energia para as cargas

necessrio analisar o sistema quando este estiver submetido a situaes de risco

como transitrios ou sadas de linha de transmisso que o que este trabalho ir

mostrar.

As aes do Estado como regulador do sistema eltrico de potncia ocorreatravs de um rgo regulador, a Agncia Nacional DE Energia Eltrica (ANEEL), e

atravs de uma segunda entidade responsvel planejamento e expanso do

sistema, o Comit Coordenador de Planejamento dos Sistemas Eltricos (CCPE).

Para operar e controlar o Sistema Integrado Nacional (SIN) foi criado o Operador

Nacional do Sistema eltrico (ONS), uma companhia privada sem fins lucrativos,

responsvel pela operao do sistema eltrico de potncia. No prximo tpico ser

mais bem explicado este rgo.

1.3. OPERADOR NACIONAL DO SISTEMA (ONS)

Para o exerccio de suas atribuies legais e o cumprimento de sua misso

institucional, o ONS desenvolve uma srie de estudos e aes a serem exercidas

sobre o sistema e seus agentes para manejar o estoque de energia de forma a

garantir a segurana do suprimento contnuo em todo o Pas. O Operador Nacional

constitudo por membros associados e membros participantes, constitudos porempresas de gerao, transmisso, distribuio e consumidores livres de grande


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porte. Tambm participam importadores e exportadores de energia, alm do

Ministrio de Minas e Energia (MME).

O ONS uma pessoa jurdica de direito privado, sob a forma de associao

civil, sem fins lucrativos, criado em 26 de agosto de 1998, pela Lei n 9.648/98, com

as alteraes introduzidas pela Lei n 10.848/04 e regulamentado pelo Decreto n

5.081/04. Para melhor controle na operao do sistema eltrico a ONS divide suas

funes em duas atribuies sendo elas:

Os estudos de operao a ONS tem como os principais objetivos manter o

SIN em pleno funcionamento, garantindo a segurana e integridade do

mesmo alm de buscar o menor custo para a operao do sistema. O planejamento realizado pela ONS consiste na elaborao de estudos

eltricos para avaliar as condies de operao do SIN, identificar as

situaes crticas de atendimento carga e indicar solues compatveis com

os prazos disponveis e com as diretrizes para a operao do SIN este

trabalho ir apresentar estudo de planejamento de instabilidade de tenso no

sistema ao se retirar linhas de transmisso utilizando a curva QV.


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1.4. OBJETIVOS GERAL E ESPECFICO

Este trabalho tem por objetivos apresentar uma reviso de princpios e

modelagem de geradores elicos, bem como fazer uma descrio sobre os impactos

da gerao elica no desempenho dinmico de sistemas eltricos. Para realizar

estas anlises sero utilizados os softwares ANARED e ANATEN.

OBJETIVOS ESPECFICOS

Estudo dos conceitos de estabilidade em sistemas de potncia;

Estudo do comportamento de tenses de um sistema eltrico de potnciapara a insero de gerao elica.

1.5. CARACTERIZAO DO PROBLEMA

A converso de energia elica caracterizada por ser uma fonte de energia

oscilante, sujeita no dependendo somente da existncia dos ventos, mas tambmda velocidade do mesmo. Desta forma uma energia que no pode ser despachada

sendo ento limitada. Dentro os diversos dispositivos que constituem as turbinas

elicas esto inseridos dispositivos de eletrnica de potncia e geradores.

Os geradores geralmente empregados nestas fontes de energia so os de

induo do tipo gaiola de esquilo, ou duplamente excitado como os geradores

sncronos.

O projeto do trabalho utilizou o gerador de induo em gaiola de esquilo, que

foram utilizados para compor os sistemas de potncia teste, onde a anlise de

desempenho de instabilidade de tenso foi realizada. Os resultados desta forma

foram comparando as curvas QV com e sem a insero dos parques elicos.

Tais anlises tm como finalidade verificar, principalmente, quais os nveis

mnimos de energia os parques elicos podem transferir de energia para o sistema

eltrico nos sistemas testes, sem que ocorra instabilidade do sistema podendo

ocorrer um mau funcionamento no sistema.


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1.6. REVISO BIBLIOGRFICA

Para a insero de dispositivos propostos que levem os sistemas testes a

estabilidade, alm das referncias citadas anteriormente, realizou-se um

levantamento bibliogrfico o qual resumido a seguir.

Em (ALMEIDA, 2013) se refere sobre a probabilidade de ocorrer

estabilidade de tenso utilizando as curvas QV e PV quando est inserida no

sistema a gerao distribuda com fontes renovveis como as fontes de energia

solar e a energia elica, poisos seus geradores ficam dependentes de fontes no

constantes de emisso de energia, o sistema utilizado foi o 34 barras da IEEE.

Em (KUNDUR, 1994) esta explicada todos os conceitos de estabilidade de

tenso e frequncia, como diferenciar em do outro e os efeitos causados pelos

mesmos no sistema eltrico de potncia.

No trabalho (AFONSO, 2008) apresenta resultados de um diagnstico sobre o

nvel de segurana com que o sistema interligado brasileiro opera em relao

estabilidade de tenso, utilizando dados reais do planejamento e da operao.

Chegando ao resultado que o sistema opera com margem negativa de 0,62% para ocaso considerado base no artigo.

Em (R.S. MOURA, et al, 2013)prope um mtodo para bloquear regulador de

tenso ao com o sentido de ampliar a margem de carga do sistema. As aes de

controlo local parecem ser eficazes para esse propsito, mas so dependentes da

existncia de locais fontes. Por outro lado, compartilhando o controle de tenso com

a ajuda de mltiplo controle mquinas prestar um bom resultado, o que est

associado a uma tenso secundria estratgia de controle. Os resultados obtidosmostram que, com este controle, a margem de carga pode ser aumentada e perdas

reduzidas.

Em (NAZARI, 2013) artigo explora as diferenas fundamentais entreo

comportamento dinmico de sistemas de energia e de distribuioo de sistemas de

energia de transmisso. Mostra-se que, porque de grande proporo linha de

resistncia reatncia, tenso e frequncia dinmica so fortemente

interdependentes na distribuio sistemas. Por conseguinte, apenas as modelosacopladas devem ser utilizadas para projeto de controle da gerao distribuda GI


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em sistemas de distribuio. A grande proporo de linha resistiva-reatncia

tambm causa fortes interaes eltricas entre as GIs. Estas interaes podem levar

a problemas de frequncia e / ou estabilidade de tenso se GERAO

DISTRIBUIDA so conectados eletricamente em reas prximas e / ou mal afinados.

No trabalho (PEREIRA, 2014) mostra uma forma de resolver o problema do

consumo de energia reativa durante a cava de tenso em parques elicos utilizando

de compensadores dinmicos de potncia reativa, como os pertencentes famlia

dos FACTS, nomeadamente os SVC e os STATCOM. Estes compensadores podem

fornecer a potncia reativa necessria para participar na regulao de tenso e,

assim, respeitarem os requisitos tcnicos e regulamentares de ligao rede.

Na tese de (MOHN, 2013) discute o problema de colapso de tenso em

sistemas de potncia. A teoria das bifurcaes abordada, sendo que a mesma

satisfaz importante papel na identificao dos pontos crticos. O modelo de fluxo de

potncia utilizado permite que as bifurcaes do tipo sela-n sejam identificadas. O

mtodo desenvolvido chegou a um melhor tempo computacional e a aplicabilidade

do desacoplamento rpido.

Em (MANWELL, 2004) um livro para estudantes de engenharia Eltricocontando toda a histria a utilizao da energia elica e como se forma ventos at

os modelos de aerogeradores at a modelagem das ps dos mesmos. J em

(NIECKARZ, 2013) prope analisar diferentes tipos de impactos da insero de

parcelas crescentes de gerao elica em um sistema teste, onde os geradores de

induo sero inseridos tendo seus desempenhos comparados com outras

tecnologias. Chegando a concluso que para inserir geradores de induo

necessrio inserir capacitores estticos ou dinmicos para melhorar seudesempenho

No trabalho de (MONTICELLI, 2004)descreve uma metodologia para controlar

potncia ativa e reativa despachadas para a rede eltrica a partir de geradores de

induo duplamente alimentados acoplados a turbinas elicas. A metodologia utiliza

o conceito de turbinas elicas de velocidade variveis acopladas os geradores de

induo duplamente alimentados e requer a existncia de uma fonte de potncia

disponvel no rotor.


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Em (FERRAZ, 2010) estuda o comportamento em regime estacionrio do

sistema eltrico considerando geradores elicos conectados a rede e submetidos

variao da velocidade do vento e comparando entre o software ANAREDE e

PSLab.

No trabalho (PAIVA, 2007) foi avaliado o comportamento da curva QV das

barras de um determinado sistema eltrico, no caso base, no ponto de colapso e

aps a ocorrncia de contingncias (perda de uma linha de Transmisso, gerador ou

Transformador). O trabalho chegou concluso que medida que o sistema se

aproxima do ponto de colapso, as margens de carga reativa tendem a se esgotar

rapidamente.

No artigo de (MOURA, C. J., 2011). foi realizado com o objetivo de identificar

as protees eltricas que esto sendo utilizadas nos parques elicos integrados ao

sistema eltrico de potncia. Chegando a concluso de que quanto maior o tamanho

do parque elico mais complexo se torna a filosofia de proteo.

Na tese de Doutorado de (DUTRA, 2008) tem por finalidade propor possveis

estratgias, conformediferentes critrios, para o desenvolvimento da energia elica

no Brasil, a partir da segunda fase do Programa de Incentivo a Fontes Alternativasde Energia - PROINFA. Desta forma, ela apresenta os principais mecanismos de

promoo de fontes alternativase renovveis de gerao de eletricidade tanto sob o

ponto de vista terico quanto atravsda apresentao e anlise de resultados

obtidos da experincia internacional.

Em (DUTRA, 2008) estabilidade dividida em dois tipos. Onde a estabilidade

angular, desenvolveu-se um mtodo para a estimativa de margens de segurana

transitria baseada em tcnicas de reduo de redes e geradores coerentes, etambm ajudando a identificar os geradores que oscilam junto com a rede de

energia.

Em(JANGAMSHETTI, 2001) apresentado um novo mtodo para

identificao dos parmetros timos de uma turbina elica atravs de suas curvas de

potncia e do coeficiente de desempenho de forma a se produzir a mxima potncia

mecnica.


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Em (CARVALHO, et al, 2003), alm de serem citados os diversos tipos de

turbinas elicas, so apresentadas as vrias caractersticas do projeto das centrais

elicas e as implicaes de sua conexo s redes eltricas.

De toda a reviso bibliogrfica realizada, conclui-se que os aspectos mais

relevantes a serem considerados so: as potncias das turbinas so cada vez

maiores (1MW a 2MW podendo chegar at 4,5MW); devido aos grandes blocos de

potncia a operao de turbinas elicas deve ser estudada sob enfoque dinmico;

acoplado a elas; o estudo dinmico pode incluir o aspecto transitrio para anlise

mais realista.

1.7. VISO GERAL DO TRABALHO

O captulo 2 trata faz uma apresentao sobre estabilidade de tenso, explica

o que e como traar a curva QV, mostra ainda os diferentes valores da curva para

distintos fatores de carregamento alm de apresentar as curvas levantadas para o

sistema aps fazer com que os sistemas de 5 e 14 barras suportem os distrbios

inseridos.

O captulo 3 discorre sobre a energia elica, aerogeradores apresentando osaspectos construtivos dessas mquinas ainda fala sobre as mquinas de induo

que sero utilizados como geradores apresentando os testes inserindo no sistema

de 14 barras.

O captulo 4 aborda os trabalhos futuros e as concluses que puderam ser

obtida do projeto.


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2. Captulo 2

2.1. CONCEITO DE ESTABILIDADE

Estabilidade pode ser entendida como a capacidade do sistema desenvolver

foras restauradoras iguais ou maiores que foras perturbadoras, permitindo formar

um novo estado ou ponto de equilbrio (ALMEIDA, 2013).

O limite da estabilidade o fluxo mximo de energia que pode passar em um

ponto particular do sistema o chamado ponto de equilbrio (SODRE, 1996). Segundo

(AFONSO, 2008) estabilidade pode ser dividida em dois tipos (DUTRA, 2008):

1. Estabilidade angular: Estudo das oscilaes eletromecnicas das mquinas

sncronas durante a ocorrncia de um distrbio, em que o fator principal a

forma que as mquinas mantm o balano de potncia quando ocorrem

variaes nos torques e oscilaes na posio do ngulo do rotor. Por

exemplo, quando uma mquina sncrona perde o sincronismo com o restante

do sistema, seu rotor gira com uma velocidade maior ou menor do que aquela

requerida para gerar tenses na frequncia do sistema (AFONSO, 2008). A

defasagem entre a frequncia do sistema e a frequncia do rotor da mquina

resulta em flutuaes grandes na potncia, na corrente e na tenso da

mquina;

2. Estabilidade de tenso: Estudo da capacidade do sistema eltrico em manter

nveis de tenso em todas as barras em condies normais de operao e de

retornar a um ponto de equilbrio aps ocorrncia de um distrbio. Dada uma

condio operativa para todos os barramentos do sistema, o nvel da tenso

nas barras cresce com o aumento de insero da potncia reativa nas barras,

se diminuir fica caracterizada uma instabilidade na tenso.

Mesmo que os dois conceitos estejam relacionados o presente trabalho ir

tratar mais com o conceito de estabilidade de tenso que ser mais detalhada a

seguir.

2.1.1. Definies e conceitos de estabilidade de tenso

Quando o sistema de energia eltrico opera sobe condies acima dascapacidades de transporte de energia faz com que o sistema fique mais sujeito as


22/66

quedas do nvel da tenso. Podendo ocorrer ao ser submetido a um sbito aumento

de carga ou e uma contingncia podendo ocorrer principalmente nos horrios de

pico que o momento em que o SEP opera mais sobrecarregado (SODRE, 1996).

Os problemas associados estabilidade da tenso envolvem trs aspectos

bsicos:

o distrbio ao qual a rede de energia eltrica submetida;

as caractersticas da carga;

os controles disponveis para manuteno de um nvel aceitvel para o nvel

da tenso.

Estes trs aspectos interagem entre si, afetando a capacidade da rede de

transferir potncia reativa dos centros de gerao aos terminais consumidores.

Ao decorrer dos ltimos anos um grande nmero de afundamentos

ocorreram, e pode ser observado que esta diminuio do nvel da tenso ocorreu em

geral aps certas condies particulares, como por exemplo, sadas dos geradores

principais e linhas, cargas pesadas ao acoplar no sistema, etc (SODRE, 1996).

Como o sistema eltrico de potncia apresenta diferentes tipos de cargas eequipamentos a ele ligados, e com caractersticas diversas de funcionamento. Um

distrbio pode afetar mais significam estes equipamentos e cargas que tenham

respostas rpidas ou lentas, contribuindo mais decisivamente para a ocorrncia de

um ou outro tipo de instabilidade (dinmica rpida ou dinmica lenta) (KUNDUR,

1994).

Existindo assim dois fenmenos diferentes, em funo de atuao dos

diferentes componentes do sistema submetidos a um distrbio. Com base na

durao do fenmeno, sendo elas: a instabilidade transitria e a de longa durao

(SODRE, 1996).

A instabilidade transitria da diminuio da tenso mais rpida do que o da

frequncia. Diferentemente da instabilidade transitria do angulo do rotor ainda que

os dois efeitos possam ocorrer instantaneamente (AFONSO, 2008). Segundo

(SODRE, 1996) a instabilidade transitria dura de zero a dez segundos sendo o

mesmo tempo da instabilidade transitria angular do rotor. A maior causa deste

fenmeno por causa de componentes da carga que possuem ao rpida, como


23/66

motores de induo e conversores, principalmente a conversores de correntes

continua de alta tenso que so integrados a sistemas que sejam frgeis a variaes

do nvel de tenso do sistema. Capacitores shunt ao longo da linha tambm

contribuem para este fenmeno (SODRE, 1996).

A instabilidade de longo prazo pode durar minutos, geralmente esto

relacionados com cargas pesadas, grandes quantidades de energia transferida para

geradores remotos e distrbios considerveis (KUNDUR, 1994). Estes distrbios

causam altas perdas de potencia reativa diminuindo a tenso na rea analisada.

Para tentar solucionar este problema, os taps e os reguladores de tenso no sistema

de distribuio so ativados e agem para tentar restabelecer os nveis de tenso de

distribuio, na tentativa de restaurar os valores nominais de potencia da carga.

Ao se restaurar as cargas simultaneamente ocorre uma diminuio nas

tenses nas linhas de transmisso (KUNDUR, 1994). Os geradores mais prximos

so sobrexcitados e sobrecarregados, mas este tempo dura em torno de dois ou trs

minutos (KUNDUR, 1994). Os geradores mais distantes devem fornecer a potncia

reativa, sendo este comportamento ineficiente, pois requer diferenas substanciais

entre nveis de tenso nas barras, aos quais gerariam grandes perdas nas linhas de

transmisso. Logo nesta condio o sistema de gerao e transmisso no capaz

de suprir as cargas e as perdas reativas, o que causa um rpido afundamento da

tenso.

A rede de transmisso e as caractersticas das cargas ligadas ao sistema

esto ligadas diretamente a estabilidade de tenso, consequentemente a limitao

na capacidade de transmisso da linha de transmisso limita o fornecimento de

potencia reativa as cargas, reduzindo a tenso. Os taps de transformadores podempiorar ainda mais esta situao (ALMEIDA, 2013). A instabilidade de tenso um

fenmeno dinmico, e, portanto esta ligada a todo o dinamismo dos elementos do

sistema incluindo os geradores.

Com o crescimento do aproveitamento do potencial de energia elica, com

significativa predominncia na Regio do Nordeste brasileiro, torna-se necessrio

verificar os impactos da gerao elica no sistema.

A escolha adequada da tecnologia a ser adotada para os parques elicos importante e pode minimizar os impactos na qualidade de energia, estabilidade de


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tenso e estabilidade transitria. A Constituio Federal prev que o

desenvolvimento, uso e venda de energia eltrica podem ser efetuados diretamente,

pelo Governo Federal, ou indiretamente, por meio da outorga de concesses,

permisses ou autorizaes. A seguir sero apresentados alguns dos rgos

reguladores do sistema eltrico de potncia que tem importncia no decorrer do

trabalho.

2.2. CURVA QV

Neste trabalho a utilizao de resultados aplicando a curva QV ser explorada

em vrios aspectos. Muitas informaes do sistema eltrico so alcanadas

aplicando este mtodo. Neste captulo, alm da exposio dos procedimentos de

clculo da curva QV, tambm sero mostradas as caractersticas to importantes do

sistema eltrico, sejam nos estudos do planejamento ou nos estudos de operao

do sistema eltrico.

Conhecendo o sistema eltrico, no apenas calculando o fluxo de carga,

necessrio avaliar os pontos frgeis. Neste sentido, conceitos de estabilidade do

sistema eltrico introduzem novas abordagens de anlises, principalmente porquedemonstra o quanto um determinado carregamento poder comprometer a robustez

do sistema eltrico em estudo (R.S. MOURA, et al, 2013).

A seguir, sero explicados os conceitos tericos da curva QV, bem como a

metodologia aplicada nos sistema testes, cujos resultados sero apresentados no

captulo especfico.

2.1.1. O conceito da curva qv

A curva QV uma importante ferramenta auxiliar em anlises de sistemas

eltricos, pois, informaes importantes so extradas dos estudos que aplicam esta

metodologia.

Atravs da curva QV obtm-se a margem de potncia reativa (MR) de uma

determinada barra. Essa margem de potncia reativa definida como a distncia do

ponto de mnimo, de ordenada negativa, at o eixo das abscissas, como mostra a

figura 1.


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Figura 1 - Curva QV e Margem de Carga Reativa

A caracterstica fundamental desta curva que no ponto de mximo

carregamento do sistema eltrico, a margem de potncia reativa da barra crtica

praticamente nula, ou at mesmo inexistente em alguns casos, tambm mostrado

nos casos testes. Sendo assim medida que o carregamento de potncia aparente

do sistema aumenta, a margem de carga reativa da barra crtica vai diminuindo e

tendendo a ir para zero.

Determinar a margem de potncia reativa denota tambm conhecer a

capacidade de potncia reativa de uma determinada barra diante de um colapso de

tenso. Esse mtodo conveniente em estudos de compensao de potnciareativa, j que permite incluir margem de carga da curva PV com a margem de carga

da curva QV. Desta forma, o conhecimento da margem de potncia reativa pode

fornecer informaes importantes para o controle de tenso, tais como: capacidade

de compensao reativa, as barras mais apropriadas para compensao reservam

de gerao de potncia reativa, entre outros.

Em campo, as avaliaes em relao estabilidade do sistema eltrico jazam

na quantificao e na inclinao da curva QV. Uma barra cuja potncia reativa variabruscamente com a diminuio da tenso e, esta potncia reativa estiver prxima ao


26/66

eixo das abscissas, significa que esta barra contribui para direcionar o sistema

perda da estabilidade.

Atravs do mtodo da curva QV pode-se dimensionar aes de controle de

despacho de potncia reativa e obtm-se as seguintes vantagens (FERRAZ, 2010):

A convergncia dos casos normalmente no representa problema.

A automatizao, utilizando uma rotina de programao, faz com que o

mtodo se torne eficiente, pois para pequenas variaes na escala de tenso

a convergncia necessita de apenas algumas iteraes.

A necessidade de compensao reativa na barra analisada dada de

imediato pelo valor de potncia reativa gerada pelo compensador.

A inclinao da curva indica o quanto barra em anlise sensvel s

alteraes de tenso.

As curvas QV traadas para diversas barras podem ser sobrepostas em um

mesmo grfico.

2.1.2. UTILIZAO DO MTODO DA CURVA QV

A curva QV real obtida ao variar a tenso terminal de um determinado

gerador sem considerar que esta mquina tenha limite de gerao de potncia

reativa. Grficos de curvas QVs ilustram a relao entre o valor da potncia reativa

gerada em funo do nvel de tenso de seu barramento.

As Tabelas 1 a 3 indicam os valores de margem da curva QV real para

diversos sistemas e cargas supridas. Para a obteno destes resultados, o passo da

curva QV obedeceu a seguinte a seguinte equao:

Onde Vbarramento a tenso terminal do gerador onde se deseja traar a

curva QV. Com relao alterao da carga suprida, manteve-se o mesmo fator de

potncia. Adicionalmente, tambm considerou que a potncia ativa gerada se

alterou na mesma proporo que o carregamento do sistema. Por exemplo, na

Tabela 1, quando se localiza a linha com Fator de Carga igual 1,1[p.u.] o mesmo

dizer que as parcelas ativas e reativas de todas as cargas foram multiplicadas pelo


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fator 1,1, assim como todas as potncias ativas geradas no sistema em relao ao

caso base que apresenta fator de carga igual a 1,0 [p.u.].

Na Tabela 1, observa-se que com o aumento do fator de carga, menor

margem de potncia reativa da curva QV. Isto algo esperado, pois este aumento

de carregamento faz com que as mquinas do sistema fiquem mais prximas dos

seus limites operativos.

Tabela 1- Relao da curva QV com fator de carga, sistema com 5 barramentos.

Fator de

Carga

Margem da curva QV

Gerados 1 Gerador 2

1,0 0,7179 0,3932

1,1 0,6934 0,3162

1,2 0,665 0,2344

1,3 0,6318 0,1376

1,4 0,5924 0,0259

1,5 0,5445 -0,1004

1,6 0,4871 -0,2506

1,7 0,419 -0,3901

1,8 0,3367 -0,5291

1,9 0,2372 -0,6782

2,0 0,1208 -0,8416

Tabela 2- Relao da curva QV com fator de carga, sistemas com 14 barramentos.

Fator de

carga

Margem da curva QV

Gerador

1

Gerador

2

Gerador

3

Gerador

6

Gerador

8

1 0,4399 4,728 1,3774 0,9179 0,644

1,1 0,2727 4,4085 1,2707 0,8397 0,6066

1,2 0,0724 3,9899 1,1533 0,7539 0,5647

1,3 -0,1569 3,4726 1,0228 0,66 0,5168

1,4 -0,2605 2,8831 0,8747 0,557 0.4603

1,5 -0,5269 2,2828 0,7004 0,4408 0,3904

1,6 -0,8436 1,7621 0,5009 0,3067 0,2944

1,7 -1,2398 0,9532 0,2474 0,1557 0,1579

1,8 -1,8044 0,1101 -0,0644 -0,0221 -0,0287

Este trabalho relaciona o suporte de potncia reativa indicado pela curva QV

com o comportamento dinmico do sistema, permitindo anlises de ocorrncia degrandes distrbios como a sada dinmica de uma linha de transmisso.


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O sistema com 5 barramentos adotado apresenta margem negativa de

reativos da curva QV para o fator de carga igual a 1,5 [p.u.] como ser mostrada

mais adiante, enquanto que o mesmo sinal de margem observado para os

sistemas com 14 e 30 barras com fatores de carga iguais a 1,8 e 1,4 [p.u.],

respectivamente.

As tabelas 4 a 5 indicam o comportamento dinmico para estas condies de

carregamento quando simuladas nos softwares ANAREDE e ANATEM. Foi

observado que erros de simulao, sejam dos tipos numricos ou de instabilidade,

foram detectados apenas a partir do momento que a margem na curva QV tornou-se

negativa.

Tabela 3- Comportamento dinmico considerando o sistema com margem Negativade potncia reativa para o sistema com 5 barramentos.

Sada de LT entre as barras Comportamento dinmico

1-3 Estvel

2-4 Atingiu o nmero mximo de interao

3-4 circuito 1 Estvel

3-4 circuito 2 Estvel

3-5 circuito 1 Atingiu o nmero mximo de interao

3-5 circuito 1 Atingiu o nmero mximo de interao

De acordo com a Tabela 5, o comportamento dinmico para o sistema com 14

barramentos foi insatisfatria apenas para a sada da linha de transmisso entre os

barramentos 5 e 6.


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Tabela 4- Comportamento dinmico considerando o sistema com margem negativapara o sistema com 14 barramentos.

Sada de LT entre as barras Comportamento dinmico

1-2 Estvel

1-5 Estvel

2-3 Estvel

2-4 Estvel

2-5 Estvel

3-4 Estvel

4-5 Estvel

7-4 Estvel

9-4 Estvel

6-5 Instvel

6-11 Estvel

6-12 Estvel

6-13 Estvel

7-8 Estvel

1-8 Estvel

1-11 Estvel

2-6 Estvel

2-7 Estvel

2-8 Estvel3-5 Estvel

Os resultados acima indicam que os sistemas com pequena margem positiva

de reativos na curva QV apresentaram instabilidade dinmica com as retiradas de

linhas de transmisso indicadas nas Tabelas de 4 e a 5.

As tabelas 1 e 2 mostram os valores das margens da curva QV mencionadas

anteriormente em funo fator de carga dos geradores. Todas as anlises deestabilidade feitas para os sistemas de 5 e 14 barras foram realizadas apenas nos

casos em que a retirada de linhas de transmisso resultam na no convergncia e

sendo os sistemas j definidos nas tabelas 4 e 5.

O sistema de cinco barras possui dois geradores, onde um gerador estando

ligado na barra 1 e o outro na barra 2, a simulao foi realizada com um fator de

carga de 1,5, para este sistema nenhum caso instvel. Para as sadas de linha da

tabela 4 as simulaes para as sadas de linha entre as barras 2-4 e 3-5 o software

ANAREDE no convergiram.


30/66

Para o sistema de 14 barras que possui geradores em cinco barras, sendo

eles conectados nas barras 1, 3, 4 e 5 e com fator de carga de 1,8. No caso do

sistema de 14 barras testadas somente com a sada da linha de transmisso entre

as barras 5 e 6 resultaram na instabilidade do sistema como poder ser observado

nos grficos de potncia reativa entregue pelos geradores em funo do tempo

mostrada nas figuras 2-6 gerados pelo software ANATEN.

O programa de Anlise de Transitrios Eletromecnicos ANATEM um

software para estudos de estabilidade transitria de sistemas eltricos de potncia

sendo tambm desenvolvido pelo CEPEL. Sendo principalmente orientada para a

simulao no domnio do tempo para a anlise dinmica do sistema eltrico de

potncia, tendendo a avaliao da estabilidade eletromecnica.




31/66


Figura 5 - Potncia reativa da barra 6 do sistema de 14 barras instvel

Figura 6 - Potncia reativa da barra 8 do sistema de 14 barras instvel

Como pode ser observada nas figuras 2-6 potncia reativa da barra tende a

oscilar indefinidamente o que comprova que ela tende a ser instvel para a sada da

LT 6-5 como mostra os valores da tabela 2.


32/66

Um sistema eltrico de potncia consegue um maior suporte de potncia

reativa por diversas maneiras, entre elas, por meio da instalao de capacitores ou

com o aumento do nvel de tenso das mquinas geradoras, respeitando sempre os

seu limite operativo, sendo este o prximo passo a ser realizado no trabalho.

2.3. ALTERAO DAS TENSES TERMINAIS

Esta etapa os valores das tenses terminais dos geradores foram

aumentadas de 0,01 em 0,01 pu sendo ento simuladas no programa ANAREDE at

o sistema se tornasse estvel. A tabela 6 e 7 mostra os valores de tenso das barras

antes do aumento das tenses terminais dos geradores e os novos valores nas

mquinas que levaram o sistema a estabilidade para os sistemas teste para os dois

casos analisados.

Tabela 5 - Valores das tenses terminais dos geradores do sistema de 5 barrasantes e depois do aumento

Tenso Terminal Geradores em p.u.

Gerador Antes Depois

1 1,017 1,07

2 1,025 1,07

Tabela 6 - Valores das tenses terminais dos geradores do sistema de 14 barrasantes e depois do aumento

Tenso Terminal Geradores em p.u.

Gerador Antes Depois

1 1,06 1,08

2 1,045 1,06

3 1,01 1,03

6 1,06 1,08

8 1,09 1,09


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Com a elevao da tenso terminal dos geradores, o problema que ocorria de

convergncia no sistema de 5 barras, nas sada da linha de transmisso entre as

barras 2-4, 3-5 circuito 1 e 3-5 circuito 2, foi extinto como pode ser observado nas

figuras 7-12.

Figura 7Tenso no gerador 1 para o sistema estvel de 5 barras na sada

da LT 2-4.


da LT 2-4.


34/66


da LT 3-5 circuito 1.




35/66





As figuras 7-12 mostraram que s de aumentar os valores da tenso terminal

dos geradores das barras 1 e 2 o sistema tende a convergir comprovando a hiptese

da estabilidade do sistema para suportar distrbios, este aumento de tenso pode

ser realizado pelos prprios taps dos reguladores de tenso do prprio SEP, para

esta simulao este aumento das tenses terminais em 0,02 pu ou 2% do valor do


36/66

inicial das barras, para que o sistema de 5 barras convergir nas sadas das linhas de

transmisso entre as barras 2-4 e 3-5.

Os grficos 13-17 mostram o comportamento da curva da potncia reativa aolongo do tempo aps a mudana das tenses terminais dos geradores do sistema de

14 barras para os valores da tabela 7.

Figura 13 - Potncia reativa da barra 1 do sistema de 14 barras estvel



37/66




Ao analisar as novas curvas, o sistema obteve um melhor comportamento

mediante ao distrbio devido sada da linha de transmisso entre as barras 6-5

chegando estabilidade em aproximadamente 24 segundos.

No entanto os limites de potncia reativa saram limites em todas as barras

para o sistema com 14 barramentos, logo, para estes novos valor de tenso


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encontrado necessrio utilizar algum dispositivo que faa a compensao de

reativos nas barras dos geradores.

2.4. MUDANA DO VALOR DAS MARGENS DA CURVA QV

O mtodo da curva QV oferece uma visualizao razovel do desempenho do

sistema eltrico durante eventos que possam comprometer a estabilidade, podendo

mostrar ainda as possveis localizaes das reservas de potncia reativa como

aes de controle, evitando que o sistema entre em colapso (FERRAZ, 2010). Como

mencionado anteriormente o programa ANAREDE j traz embutido em seus

algoritmos os parmetros de fluxo de potncia j trazem o clculo da curva QV

embutido em seu algoritmo.


estabilidade para fator de carregamento de 1,5

Margem da Curva QV

Gerador 1 Gerador 2

0,6549 0,0677

Tabela 8 -Margem da curva QV dos geradores do sistema de 14 barras aps a

estabilidade para fator de carregamento de 1,8

Margem da Curva QV

Gerador 1 Gerador 2 Gerador 3 Gerador 6 Gerador 8

-1,5545 0,5698 0,1301 0,0853 0,0839

Os limites de potncia reativa dos geradores das barras 1 e 2 do sistema de 5barras esto em aberto (valores de potncia indo de menos infinito a mais infinito

seno definidos nas caractersticas das barras), no ser preciso nenhum ajuste, ou

seja no ser necessrio a insero de nenhum dispositivo que faa esse controle.

Como j mencionado anteriormente as margens das potencias reativas de

todas as barras geradoras do sistema de 14 barras saram de seus limites sendo

necessria a insero de dispositivos que consiga fazer esse aumento da tenso

terminal e ainda faa este controle de margem.


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Para realizar este controle neste trabalho foi utilizado parques de

aerogeradores com geradores de induo em gaiola ligados as barras do sistema de

14 barras, em seguida ser realizado uma prvia explicao sobre energia elica

aerogeradores e motor de induo, e ainda a insero deste dispositivo no sistema.

Um gerador elico fornece potncia ativa para o sistema onde est instalado,

contribuindo para a melhora do fator de potncia. Isto levantada teoria que este

tipo de gerador pode contribuir ou no para a compensao de potncia reativa das

mquinas com baixas margens na curva QV. A seguir sero apresentados os testes

feitos e seus respectivos resultados.


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3. Captulo 3

3.1. A ENERGIA ELICA

Quando se diz "vento" na verdade se referi a atmosfera em movimento sendo

uma associao entre a energia trmica e a rotao da Terra causando o

deslocamento de massas de gases presentes na atmosfera. Todos os planetas

envoltos por gases em nosso sistema solar possuem diferentes formas de circulao

atmosfricas e apresentam ventos em suas superfcies (FERRAZ, 2010). Esses

fenmenos naturais sempre se repetem logo o vento considerada com sendo uma

fonte renovvel de energia.

3.2. HISTRIA DA ENERGIA ELICA

A energia derivada do movimento dos ventos tem sido utilizada pelo homem

desde os tempos mais antigos. Por volta do ano 5000 a.C. os egpcios j utiliza a

energia dos ventos para navegao. Moinhos simples j eram utilizados pelos

Persas para bombeamento de gua e moagem de gros por volta de 200 a.C.

Durante o sculo XI, os habitantes do Oriente Mdio usavam os moinhos de ventopara produo de alimentos e a ideia foi levada para a Europa pelos comerciantes e

participantes das Cruzadas. (FERRAZ, 2010).

Entre os sculos XVII a XIX na Holanda, moinhos de vento eram empregados

em grande escala para drenagem de terras cobertas pelas guas como pode ser

observado na figura 14. As aplicaes dos moinhos de vento eram bem variadas

como na produo de leos vegetais, fabricao de papel (depois do surgimento da

imprensa) e acionamento de serrarias para processamento de madeiras. Na

segunda metade do sculo XIX, as utilizaes de cata-ventos de mltiplas ps

destinadas ao bombeamento de gua possibilitaram a explorao do desabitado

oeste dos Estados Unidos. (MOURA, C. J., 2011).


41/66

Figura 18 - Moinho de vento utilizado para drenagem de pntanos

Fonte :http//www.windpower.dlk/tour/

Acesso em: 20/06/2014

No sculo XX, devido ao avano da rede eltrica foram realizadas vrias

pesquisas para o aproveitamento da energia elica em grandes blocos de energia.

Os Estados Unidos estavam difundindo o uso de aerogeradores de pequeno porte

nas fazendas e residncias rurais isoladas e a Rssia investia na conexo de

aerogeradores de mdio e grande porte diretamente na rede.

J na Segunda Guerra Mundial (1939-1945), a necessidade de economizar

combustveis fsseis contribuiu para o desenvolvimento de aerogeradores de mdio

e grande porte. Porm com o fim da Guerra, os combustveis fsseis voltaram a ser

abundantes no mundo e os aerogeradores eram construdos apenas para fins de

pesquisa.

Na dcada de 70, o choque do petrleo e o incio da preocupao com o meio

ambiente fizeram com que a energia elica fosse novamente considerada. Nas

dcadas de 80 e 90, foram os incentivos fiscais de pases como Estados Unidos,

Dinamarca e Alemanha que contriburam para o desenvolvimento de grandes

quantidadesdeaerogeradores de maiores potncias. No incio dos anos 90 foram

instaladas as primeiras usinas Offshore (fora da costa, no mar) utilizando

aerogeradores de grande potncia. Cenrio Mundial como mostrado na figura 15.


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Figura 15 - Aerogeradoresdas dcada de 70 a esquerda e aos aerogeradoresinstalados nas dcadas de 90 a direita

Fonte :FERRET, 2001

Em 1990, a capacidade instalada no mundo era inferior a 2000 MW. Em 1994,

a capacidade subiu para 3734 MW, divididos entre Europa (45,1%), Amrica(48,4%), sia (6,4%) e outros pases (1,1%)(MOURA, C. J., 2011). Quatro anos mais

tarde, chegou a 10 GW e no final de 2002 a capacidade total instalada no mundo

ultrapassou 32 GW. O mercado tem crescido substancialmente nos ltimos anos,

principalmente na Alemanha, EUA, Dinamarca e Espanha, onde a potncia

adicionada anualmente supera 3 GW(MOURA, C. J., 2011).

Esse crescimento de mercado fez com que a Associao Europeia de Energia

Elica estabelecesse novas metas, indicando que, at 2020, a energia elica podersuprir 10% de toda a energia eltrica requerida no mundo. De fato, em alguns pases

e regies, a energia elica j representa uma parcela considervel da eletricidade

produzida. Na Dinamarca, por exemplo, a energia elica representa 18% de toda a

eletricidade gerada e a meta aumentar essa parcela para 50% at 2030. Na regio

de Schleswig-Holstein, na Alemanha, cerca de 30% do parque de energia eltrica

instalado de origem elica. Na regio de Navarra, na Espanha, essa parcela de

23%. Em termos de capacidade instalada, estima-se que, at 2020, a Europa j ter

100 GW(MOURA, C. J., 2011).


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Tabela 1- Energia Elica - Capacidade instalada no mundo (MW)

3.3. CENRIO BRASILEIRO

Mesmo que ainda existam divergncias entre os especialistas e as

instituies na estimativa do potencial elico brasileiro, vrios estudos indicam

valores extremamente apreciveis. At poucos anos, as estimativas eram de

aproximadamente 20 GW. Mas atualmente a maioria dos estudos indica valores

maiores que 60 GW. Essas divergncias acontecem principalmente da falta de

informaes e das diferentes metodologias empregadas nas anlises(DUTRA,

2008).

De qualquer forma, os vrios levantamentos e estudos realizados e em

andamentotm dado apoio e motivado a explorao comercial da energia elica no

Pas. Os primeiros estudos foram feitos na regio Nordeste, principalmente no Cear

e em Pernambuco devido ao grande potencial energtico causado pelos ventos com

velocidades altas. Com o apoio da ANEEL e do Ministrio de Cincia e Tecnologia, o

Centro Brasileiro de Energia Elica, da Universidade Federal de Pernambuco,

publicou em 1998 a primeira verso do Atlas Elico da Regio Nordeste(DUTRA,

2008).


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Figura 16 - Potencial Elico estimado para vento mdio anual > 6 m/s

Fonte:MONTEZANO, 2007.

Outro estudo importante, em mbito nacional, foi publicado pelo Centro de

Referncia para Energia Solar e Elica CRESESB/CEPEL. Trata-se do Atlas do

Potencial Elico Brasileiro. Nesse estudo estimou-se um potencial elico brasileiro

da ordem de 143 GW(DUTRA, 2008).

Como pode ser observado na figura 16 o Brasil possui um alto potencial

elico, principalmente na regio Nordeste. As melhores localidades para instalao

de parques elicos esto ao longo do litoral e em terras mais altas no interior dopas. A Tabela 10 mostra o potencial elico eltrico estimado no Brasil, divido por

regies.


45/66

Tabela 9 - Potencial Elico eltrico estimado do Brasil

Fonte:MONTEZANO, 2007.

A Agncia Nacional de Energia Eltrica (Aneel) realizou no dia 14/12/2009, na

sede Cmara de Comercializao de Energia Eltrica (CCEE), em So Paulo (SP), o

Leilo de Energia de Reserva para contratao de energia eltrica gerada por fonte

elica. Foram negociados 753 lotes de 1 megawatt (MW) ao preo mdio de R$

148.39 MWh. Os 71 empreendimentos vencedores sero instalados em Sergipe,

Cear, Rio Grande do Norte, Bahia e Rio Grande do Sul. Foi a primeira vez que oBrasil promoveu uma licitao para negociao exclusiva de energia elica (ANEEL,

Acesso em: site: http://www.aneel.gov.br/).

3.4. AEROGERADORES

No atual cenrio para se aproveitar de forma mais eficaz e para concentrar

geograficamente o impacto visual dos aerogeradores, por isso a tendncia de

agrup-los em parques ou fazendas elicas. As fazendas elicas com dezenas ou


46/66

centenas de mquinas levam a um aumento substancial da gerao elica.

(MONTICELLI, 2004).

2.1.3. Componentes dos aerogeradores

A figura 22 mostra as principais partes que formam os aerogeradores, sendo

descritas a seguir.

Ps do rotor: A energia cintica do movimento dos ventos faz as ps girarem

e a transferem para o cone do rotor;

Nacele: Contm os componentes do aerogerador incluindo entre outros a

caixa de engrenenagem e o gerador eltrico;

Cone do rotor: Conecta as ps ou eixo de baixa velocidade da turbina elica;

Eixa de baixa velocidade: Conecta o cone do rotor a caixa de engrenagens.

Em uma turbina moderna o eixo gira entre 9 e 30 rpm. Nesse eixo esto

instaladas as tubulaes hidrulicas utilizadas para habilitar a operao do

freio aerodinmico;

Caixa de engrenagem: utilizada para converter a baixa velocidade de

rotao e o alto conjugado da turbina elica para a alta velocidade e uma

menor conjugada que podem ser usadas pelo gerador. Eixo de alta velocidade: Aciona o gerador eltrico. Ele geralmente equipado

com um freio a disco, usado em caso de falha do freio aerodinmico ou na

partida da turbina elica;

Gerador eltrico: So comumente utilizados os geradores de induo ou os

geradores sncronos;

Controle de giro: conhecido tambm como mecanismo de orientao e

utiliza motores eltricos para girar a nacele juntamente com o rotor contra ovento. Este mecanismo operado por um controlador eletrnico o qual

monitora a direo do vento usando uma veleta. Normalmente o aerogerador

vai girar alguns graus quando o vento mudar sua direo;

Sistema de controle: Contm um microprocessador que monitora,

continuamente, as condies do aerogerador. Em caso de um mau

funcionamento (sobrecarga, excesso de calor na caixa de engrenagens, etc)

ele automaticamente dispara o processo de parada da turbina elica;


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Torre: Sustenta a nacele e o rotor. Geralmente vantajoso ter uma torre alta

por que a velocidade do vento cresce medida que se afasta do solo. Em

aerogeradores modernos as torres podem atingir a altura de 40m a

60m(MONTICELLI, 2004). Em termos construtivos elas podem ser tubulares

ou reticuladas;

Sensores de vento: So praticamente o anemmetro e a veleta. O

anemmetro mede a velocidade do vento enquanto que a veleta monitora a

direo do vento. Os sinais do anemmetro so usados pelo sistema de

controle para partir o aerogerador quando a velocidade do vento est em

torno de 3,5m/s a 5m/s. Quando esta velocidade superior a 25m/s o sistema

de controle dispara o processo de parada do aerogerador de forma a

preserv-lo mecanicamente. J o sinal da veleta usado para girar o

aerogerador contra o vento usando o mecanismo de orientao(MONTICELLI,

2004).

Figura 22 - Partes dos aero geradores

Fonte: http//www.windpower.dlk/tour/

Acesso em: 19/05/2014

Aerogerador geralmente compreende dois princpios de converso, levados a

termo pelos seguintes componentes: o rotor, que retira energia cintica do vento e a

converte em conjugado mecnico e o gerador que converte o conjugado mecnico

em eletricidade e alimenta a rede eltrica. Esse princpio de funcionamento

descrito na figura 23.


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Figura 19 - Principio de funcionamento bsico de um aerogerador.

Fonte :MONTICELLI, 2004

Apesar da facilidade de se intender o principio de funcionamento de um

aerogerador, essa tipo de mquina um sistema complexo no quais reas de

conhecimento tais como aerodinmica, mecnica, eltrica e controle esto

intimamente interligados.

Atualmente existem trs tipos principais de aerogeradores no mercado. As

principais diferenas entre eles dizem respeito ao sistema de gerao e o modo

como a eficincia aerodinmica do rotor limitada durante as altas velocidades do

vento de maneira a prevenir sobrecargas mecnicas. Os sistemas de gerao dos

aerogeradores so muito parecidos e como mostra a figura 24 podem ser de trs

tipos:


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Figura 20 - Sistemas de gerao usados em aerogeradores

Fonte :MONTICELLI, 2004

O gerador de induo de gaiola o mais antigo deles. Este sistema consiste

de um gerador de induo de rotor em gaiola conectado diretamente a rede eltrica.

O escorregamento e, logo, a velocidade variam com a quantidade de potncia

gerada. A variao de velocidade, contudo, pequena, aproximadamente 1% a

2%(CARVALHO, 2003). Dessa forma, este tipo de sistema chamado de velocidade

constante ou aerogerador de velocidade fixa. Deve ser mencionado que o gerador

de induo de rotor em gaiola usado em aerogeradores pode girar em duas

velocidades distintas, mas constantes, pela mudana do nmero de polos do

enrolamento do estator(CARVALHO, 2003).

O gerador de induo de rotor em gaiola consome energia reativa. Na maioria

dos casos isto indesejado por causa dos problemas de nvel de tenso no ponto

de conexo devido ao fluxo de potncia reativa na rede eltrica (CARVALHO, 2003).


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Uma observao importante que geradores sncronos diretamente ligados

rede eltrica, e que esto presentes na maioria das estaes de gerao tradicional,

no so usados nos aerogeradores. Apesar disso aerogeradores com geradores

sncronos conectados diretamente a rede eltrica foram construdos no passado e

atualmente no so mais utilizados. Sua caracterstica dinmica desfavorvel

quando usado com uma mquina primria com potncia flutuante, causa

carregamentos causando grandes riscos de instabilidade durante as rajadas de

vento. Alm disso, o gerador sncrono dever ser sincronizado antes de ser

conectada a rede eltrica e isso tambm arriscado (MONTICELLI, 2004).

O presente trabalho ir utilizar aerogeradores com geradores de induo com

rotor em gaiola de esquilon devido as vantagens mencionadas acima. O prximo

tpico ir apresentar brevemente alguns conceitos importantes sobre as mquinas

eltricas de induo.

3.5. MQUINAS DE INDUO

Segundo (MEDEIROS, 2005) os geradores de induo ou alternadores no

so propriamente um gerador, mas sim um motor de induo utilizado para gerarenergia. As mquinas de induo com rotores do tipo gaiola so frequentemente

comparadas de modo favorvel cos os demais tipos de mquinas eltricas so

robustas, apresentam um baixo custo de implementao e de manuteno alm de

possuir uma alta densidade de potncia (W/kg). Os geradores de induo raramente

so utilizados como geradores, devidos sua regulao de tenso ruim e variao

da frequncia sncrona, mesmo quando acionada sob velocidade constante no rotor

e quando alimenta cargas com alto fator de potncia.

A seguir sero apresentadas algumas caractersticas dos geradores de induo:

simplicidade - a ausncia de bobinas, aneis coletores no rotor e escovas,

tornam o GI uma mquina com uma manuteno mais simples e demorada se

comparada aos geradores sncronos. Em micro centrais geradoras como

pequenos parques elicos operando em reas isoladas de difcil acesso

levada em conta no planejamento inicial do projeto.

sincronismo - o GI dispensa a utilizao de colunas de sincronismo,

diminuindo o custo de sua instalao. Outra vantagem em relao a


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proteo, pois para pequenas centrais mais vivel utilizar disjuntores

termomagnticos. No entanto quando h duas mquinas em paralelo,

interessante utilizao de disjuntores termomagnticos motorizados para

facilidade de operao e sincronismo entre as mquinas, mas que so mais

caras comparadas aos disjuntores termomagnticos comuns, como os GI no

necessitam de sincronizao estes custos diminuem ainda mais.

excitao - GI utilizam um banco de capacitores para sua excitao. Possui a

vantagem de ser um sistema esttico, ou seja, no possui componentes

rotativos, se comparado aos geradores sncrono, que normalmente utiliza

sistemas rotativos para excitao (tipo "brushless"), podendo tambm ser

excitada por excitatriz esttica aumentando o custo de sua implantao.

3.6. SIMULAO REALIZADA

Os geradores de induo foram inseridos com o comando no software

ANAREDE e ANATEN pela funo DMOT, que serve para representar motores de

induo. O elemento pode ser inserindo representando um aerogerador. Faz-se

necessrio entrar com o nmero de unidades e os parmetros dos geradores, como

resistncia e reatncia do estator e do rotor, assim como a reatncia de

magnetizao e a potncia nominal, este valores foram inseridos utilizando os

valores do exemplo real apresentado nos manuais (ANAREDE, 2009), (ANATEN,

2009). Vale lembrar que para este comando funcionar como um GI necessrio

inserir um sinal negativo no campo especfico do DMOT.

As figuras 21-25 mostram as curvas da potncia reativa dos geradores com a

tenso terminal do sistema inicial e inserindo geradores de induo com rotores emgaiola. As barras em que os geradores foram escolhidos aleatoriamente desde que

no sejam as barras em que j estejam conectados geradores.


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Figura 22 - Potencia reativa do gerador da barra 2 do sistema de 14 barras

instvel com DMOT


instvel com DMOT

Figura 21 - Potencia reativa do gerador da barra 1 do sistema de 14

barras instvel com DMOT


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instvel com DMOT


instvel com DMOT

Mesmo que analisando as curvas das figuras 23-27, pode se notar que o

sistema se tornou estvel sem precisar do aumento das tenses terminais dos

geradores como mostrado no tpico 2.4 deste trabalho. Mesmo que os geradores

suportem o distrbio, para todas as barras analizadas os limites da potncia reativa

no foi respeitada como pode ser observada na tabela 10.


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Tabela 10- Valores de potncia reativas mnimas e mximas dos geradores

dados do circuito dos barramentos

Potncia Reativa Mximas e Mnimas [KVAr]

Barra Mnimo Mximo

1

2 -40 50

3 0 40

6 -6 24

8 -6 24

Como a utilizao de geradores de elicos (de induo) no foi satisfatria, a

soluo encontrada segundo Basset foi a de inserir bancos de capacitores estticos

em paralelo as barras mais carregadas, ou seja onde houvesse uma maior

quantidade de potncia requerida pela carga. As barras onde existem uma maior

concentrao de carga so as barras 5 e 11 (olhando o DBAR do sistema teste de

14 barras), em seguida vrios valores de bancos de capacitores foram implantadosnestas barras sendo ento simulados no programa ANAREDE e ao convergir era

gerado os grficos pelo ANATEN. Os valores que obtiveram os limites mais

prximos possvel dos valores aceitos foram de 54 KVAr para o barramento 5 e de

100 KVAr para a barra 11, as curvas das figuras 28-32 mostram os valores

geradores levando o sistema a estabilidade e ainda mantendo as potncias ativas

dentro dos limtes. As figuras 26-30 mostram as novas curvas geradas.


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Figura 27 - Potencia reativa do gerador da barra 2do sistema de 14 barras

estvel com DMOT e banco de capacitores



Figura 26 - Potencia reativa do gerador da barra 1 do sistema de 14

barras estvel com DMOT e banco de capacitores


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Como pode ser observado a insero de banco de capacitores nas barras 5 e

11 melhoraram a estabilidade do sistema levando quase todas as curvas dos

geradores a estarem dentro de seus limites de potncia reativa, a potncia reativa do

gerador ligada a barra 3 est com um valor de 7 KVAr acima do seu limite mximovalor aceitvel podendo ser justificado pela carta de capabilidade da mquina da

mquina sncrona quando se diminui a sua gerao de potncia ativa.


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4. Captulo 4

4.1. TRABALHOS FUTUROS

So sugeridos os seguintes trabalhos futuros:

Avaliar o modelo em estudos de estabilidade, tais como curto-circuito evariao dinmica de tenso. Neste caso devem ser includas no modelo ascaractersticas do eixo da turbina elica;

Estudo com outras mquinas como geradores (geradores CC).

Atuar nas anlises de operao

Usar outros sistemas.


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4.2. CONCLUSO

Como aerogeradores operam geralmente isolados das cargas as potncias

ativas das cargas CA influenciam consideravelmente a amplitude e a frequncia da

tenso do gerador, mesmo mantendo a velocidade do rotor seja a mesmo por

reguladores de velocidade que neste trabalho no foram utilizados. Se for

considerado que as que perdas (mecnicas e magnticas), a potncia eltrica dos

geradores so um produto entre a velocidade angular do rotor e o conjugado no eixo

do rotor. Considerando ainda que a velocidade do rotor no varie o aumento da

potncia ativa da carga deve produzir uma queda na frequncia sncrona, pois esta

a nica forma de elevar o conjugado a fim de atender a nova demanda da carga

por isso que geradores de induo tem uma regulao de tenso ruim se

comparadas a outras mquinas eltricas.

Como pode ser observada a regulao dos geradores de induo so

afetadas pelo aumento da carga ativa que consequentemente foram os gerador a

aumentar o conjugado diminuindo assim a frequncia sncrona, alm das quedas de

tenso causadas pelas resistncias e reatncias de disperso do estator e do rotor

(BASEET). Os bancos de capacitor tende a melhor a regulao dos geradores

indutivos, pois afetam o controle da tenso(atuam na excitao do campo) e da

frequncia.

A hiptese de que geradores de induo conectados no sistema eltrico de

potncia isolada tende ter banco de capacitores conectados ao sistema foi

confirmada neste trabalho, porque somente coma a insero de banco de

capacitores praticamente todos os geradores do sistema de 14 barras alm de

convergirem entraram nos limites de potncia reativa estabelecidos para as barras.

Devido ao auto custo da construo dos aerogeradores muitos utilizam os GI, pois

so mais baratos do que geradores sncronos alm de ter uma manuteno mais

simples de ser realizada por isso a escolha de se utilizar este tipo de mquina

eltrica para a realizao deste trabalho.


59/66

5. REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS

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ANEXO AFLUXO DE POTNCIA NO ANAREDE O CDIGO DE EXECUO

DBAR ONDE DESCRITA AS BARRAS CA DO SISTEMA DE 5 BARRAS.

Tabela 11 - Dados DBAR do sistema de 5 barras

Barra Tipo da Barra Tenso PGERADA QGERADA QMIN QMX

1 V 1,017 45 Aberto Aberto

2 PV 1,025 135 19,56 Aberto Aberto3 PQ 1,006

4 PQ 1,014

5 PQ 1


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ANEXO BFLUXO DE POTNCIA NO ANAREDE O CDIGO DE EXECUO

DBAR ONDE DESCRITA AS BARRAS CA DO SISTEMA DE 14 BARRAS.

Tabela 12 - Dados DBAR do sistema de 14 barras

Barra Tipo da Barra Tenso PGERADA QGERADA QMIN QMX

1 V 1,06 220,1 -16,9

2 PV 1,045 298 42,4 -40 50

3 PV 1,01 0 23,4 0 40

4 PQ 1,019

5 PQ 1,026 PV 1,07 0 12,2 -6 24

7 PQ 1,062

8 PV 1,09 0 17,4 -6 249 PQ 1,056

10 PQ 1,05111 PQ 1,057

12 PQ 1,055

13 PQ 1,05

14 PQ 1,036


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ANEXO CEXEMPLO DA FUNO DMOT DO MANUAL DO ANAREDE

DMOT

(Num) OE GrS(C) (U) ( Rs) ( Xs) ( Xm) ( Rr) ( Xr) (HPb) (T) (P) (B)

4 10- 40 8 .7 10. 320. 1. 9. 500.

5 10- 40 8 .7 10. 320. 1. 9. 500.

7 10- 40 8 .7 10. 320. 1. 9. 500.

9 10- 40 8 .7 10. 320. 1. 9. 500.

99999

tcc arthur v2

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