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Controle de Sistemas Interligados

Prof. Glauco Nery Taranto

Departamento de Engenharia Elétrica

POLI/UFRJ

Sistema de Transmissão

2 Curso EEE612 – CSI (Prof. Glauco Taranto)

Bacias Hidrográficas Brasileiras


Bacias Hidrográficas


Capacidade de Regulação dos Reservatórios

• No passado nossa capacidade de regulação já foi de 5 anos

• Hoje, a capacidade já é anual, ou seja, um ano com baixas afluências pode causar sérios problemas no ano seguinte

• O aumento da demanda devido ao crescimento econômico do país, conjugado com a escassez de novos reservatórios, faz essa capacidade de regulação diminuir.


Hidrelétricas a fio d’água

• São usinas sem capacidade de armazenamento de água.

• Em um país cuja base de geração hidroelétrica ainda está na casa dos 80% (dados de 2013), a construção dessas usinas exige que o operador do sistema tenha cada vez mais conhecimento da previsão de precipitações.


Hidrelétricas a fio d’água (cont.)

• Fenômenos meteorológicos e climáticos:

– El niño

– La niña

– Oscilação Madden-Julian

– Vórtices ciclônicos

• Passam a ter um papel preponderante na operação do sistema.


9

Regulação de Velocidade

Controle Carga-Freqüência

Curso EEE612 – CSI (Prof. Glauco Taranto)

Diagrama esquemático de um gerador síncrono conectado a uma rede de transmissão para estudos de transitórios

eletromecânicos

Fonte: B. Stott, Proceedings of the IEEE, 1979.

Máquina e suas malhas de controle Rede

elétrica

Curso EEE612 – CSI (Prof. Glauco Taranto) 10

Malhas de Controle nos Geradores


Regulador Integrado de Tensão e de Velocidade


13

Controle Carga-Freqüência

• Regulação primária (RT) – Sem queda de freqüência (regulador isócrono)

– Com queda de freqüência (estatismo)

• Regulação secundária (CAG) – Controle da freqüência (flat frequency)

– Controle do intercâmbio (flat tie)

– Controle de ambos (TLB – Tie-line bias)


14

Curva Típica da Carga


15

Freqüência


16

Malhas de controle


17

Regulador de Velocidade

Controle Automático da Geração

Xisto Vieria Filho


Pêndulo de Watt


Regulador de Velocidade


Islanding Example

(file: smec.fdx)


Electrical x Mechanical Powers


Electrica x Mechanical Powers


Frequency (zoom in)

0 10 20 30 40 50 60 70 8035

40

45

50

55

60

65

Tempo (segundos)

Fre

qu

ên

cia

(H

z)


Frequency (zoom in)

0 10 20 30 40 50 60 70 8035

40

45

50

55

60

65

Tempo (segundos)

Fre

qu

ên

cia

(H

z)

10 20 30 40 50 60 70 8057

57.5

58

58.5

59

59.5

60

60.5

61

Tempo (segundos)

Fre

quência

(H

z)


27

Aproximação da variação da carga com a freqüência


28

Regulador Isócrono f P

s

K


29

Característica f x P

f

Pg

Pg0

f0

0


30

Regulador com Estatismo Permanente

P

R

s

Kf

0)(1

00 ffR

PP GG


31

Característica f x P


32

Regulador com Estatismo



Repartição da carga entre duas unidade geradoras

dd PP

1P

2P

1R

2R

34

Repartição da carga entre duas unidade geradoras

1

1

'

11R

fPPP

2

2

'

22R

fPPP

dPPP 21


35

CAG

• Controle da freqüência

– Balanço geração/carga

Área de

Controle 1

Área de

Controle 2

Carga 1

Carga 2

Pg1

Pg2

Intercâmbio Pg3

Pg4

# 1

# 2

# 3

# 4

• Controle da intercâmbio


36

Perda de geração dentro da área de controle

Freqüência Desvio de Intercâmbio


37

Perda de carga dentro da área de controle

Freqüência Desvio de Intercâmbio


38

Regulação Secundária (CAG)

R

1

reff

f

mecP

GTs1

1

cagf


39

Possível Estrutura da Regulação Secundária

barraf

cagf

PK

s

K I

reff


40

Representação da Regulação Primária e Secundária

R

1 mecP

GTs1

1

cagf

PK

s

K I

f


41

Característica f x P com regulação secundária


42

Característica Dinâmica da Turbina Hidráulica (fase não mínima)

w

w

sT

sTsTurbina

1

2/1)(


43

Turbinas Hidráulicas

Pelton

Francis

Kaplan


Turbina Francis com Eixo Horizontal

44

PCH de

5 MVA


46

Regulador com Estatismo Permanente e transitório

s

K

rpR

1sT

sTR

T

Tt

_

_

+

+

f P


47

Estatismos

• Estatismo transitório – deve ser elevado para que o sistema seja estável

• Estatismo de regime permanente – deve ser pequeno para que o sistema não tenha grandes variações de freqüência


48

Regulação de Tensão


Diagrama esquemático de um gerador síncrono conectado a uma rede de transmissão para estudos de transitórios

eletromecânicos

Fonte: B. Stott, Proceedings of the IEEE, 1979.

Máquina e suas malhas de controle Rede

elétrica


Malhas de Controle nos Geradores


Regulador Integrado de Tensão e de Velocidade


52

Sistema de Excitação

• Prover corrente contínua para o enrolamento de campo

• Funções de controle e proteção através do ajuste da tensão aplicada ao enrolamento

• Controle de tensão terminal e geração reativa e aumento da estabilidade do sistema

• Funções de proteção para limites operativos


53

Sistema de Excitação

REGULADOR EXCITATRIZ GERADOR

SINAL

ADICIONAL

ESTABILIZADOR

(PSS)

TRANSDUTOR

DE TENSÃO E

COMPENSADOR

DE CARGA

LIMITADORES

E CIRCUITOS

DE PROTEÇÃO

Vref

Sistema

de

Potência


54

Sistema de Excitação Brushless

armadura

campo

excitatriz CA

armaduracampo

gerador CA

:TP

TC

regulador

CA referência

CA

N

S

campoarmadura

excitatriz piloto

CA trifásica


Smib system (Three-Phase Short-Circuit)


AVR block diagram Model RegTensao#Mdl:1oORDe)

Input

K

--------------

1 + sT

s Kf

-------------

1 + sTf

OutputVref

Vt

Vso

err

Lmx

Lmn

Efdu Efd+

-

-


Model RegTensao#Mdl:1oORDe Input

K

--------------

1 + sT

s Kf

-------------

1 + sTf

OutputVref

Vt

Vso

err

Lmx

Lmn

Efdu Efd+

-

-

60

Capacidade de Curto-Circuito

Referência: C. Taylor, “Power System Voltage Stability”, McGraw-Hill, 1994.


Capacidade de Curto-Circuito

• É uma grandeza locacional

• É o produto da corrente de curto-circuito trifásica pela tensão nominal (MVA).

• Trabalhando em pu e considerando tensão nominal no cálculo da corrente de curto, a CCC é o inverso da impedância de Thévenin no ponto do curto.

• A CCC é uma medida da robustez do ponto em relação a variações de tensão


Relação de Curto-Circuito (Short Circuit Ratio – SCR)

• É a relação da CCC pela capacidade (MVA) de um equipamento a ser localizado no sistema

• O equipamento pode ser uma carga, um conversor de uma linha HVDC, um compensador estático, etc.

• Um SCR elevado (digamos = 5) significa bom desempenho do sistema

• Um SCR baixo significa “problemas”



• Na engenharia, a utilização de fórmulas aproximadas muitas vezes é bem-vinda para uma análise expedita.

∆𝑉 ≅∆𝑄

𝐶𝐶𝐶

• Ou seja, a variação de tensão em uma determinada barra para uma dada injeção de potência reativa é inversamente proporcional à Capacidade de Curto-Circuito (CCC) da barra.



Arquivo: smec_CCC.fdx

OBS: Todos os bancos de capacitores são de 10 Mvar.


Tensões em pu

Localização do banco

Tensão Barra #1

Tensão Barra #2

Tensão Barra #3

Tensão Barra #4

Tensão Barra #5

Sem banco 1,0084 0,9911 0,9735 0,9510 0,9242

Barra #2 1,0084 0,9985 0,9817 0,9600 0,9336

Barra #3 1,0084 0,9992 0,9864 0,9650 0,9389

Barra #4 1,0084 0,9995 0,9869 0,9693 0,9434

Barra #5 1,0084 0,9995 0,9870 0,9694 0,9470

∆𝑉 % ≅0,9985 − 0,9911

0,991× 100% = 0,75%

∆𝑉 % ≅0,9470 − 0,9242

0,9242× 100% = 2,5%

Barra#2

Barra#5


Regulação de Tensão (sem uma LT 4-5)

Arquivo: smec_CCC_1LT.fdx


Tensões em pu

Localização do banco

Tensão Barra #1

Tensão Barra #2

Tensão Barra #3

Tensão Barra #4

Tensão Barra #5

Sem banco 1,0084 0,9642 0,9301 0,8925 0,8250

Barra #2 1,0084 0,9732 0,9411 0,9052 0,8399

Barra #3 1,0084 0,9746 0,9469 0,9118 0,8476

Barra #4 1,0084 0,9755 0,9483 0,9171 0,8537

Barra #5 1,0084 0,9760 0,9491 0,9182 0,8620

∆𝑉 % ≅0,9732 − 0,9642

0,9642× 100% = 0,93%

∆𝑉 % ≅0,8620 − 0,8250

0,8250× 100% = 4,48%

Barra#2

Barra#5


Dynamic Analysis of the P-V Curve (The “Nose” Curve)

Reference: S. Corsi and G. N. Taranto, “Voltage Instability – the Differents Shapes of the Nose”, IREP Symposium, Charleston, USA, 2007.


LThThLThTh

ThLTh

L QEXPXE

XQE

V 22

42

42

The Static “Nose” Curve (P-V)


“Nose” Curves – one obtained from static models (dotted), and the other three obtained from dynamic models. With AVR only (dashed), AVR+OEL (dash-dotted), and AVR+OEL+OLTC (solid).


Test System


Bus #4


Bus #5

74

Voltage Regulator + Exciter

Speed Regulator + Turbine

75

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