Marcelo Lobo Heldwein, Dr. Sc. <heldwein@inep.ufsc.br>

Introdução às redes de distribuição

Eletrônica de Potência para

Redes Ativas de Distribuição

Refs.:

V. K. Mehta, “Principles of Power Systems,” 2000.

N. Kagan et al., “Introdução aos sistemas de distribuição de energia elétrica,” 2005.

L. L. Grigsby, “Electric Power Engineering Handbook,” 2006.

Sistema de energia

2

Transmissão e transformação de energia

3

Transmissão e transformação de energia

4

Redes de distribuição

— Rede de distribuição:

• É a parte de um sistema de energia que

distribui energia elétrica para uso

local

— Não se pode distinguir precisamente da transmissão

pelos níveis de tensão

Redes de distribuição

5

http://muraliblog.com/change/hyderabad

-also-known-as-cables-city-why/

http://www.utilityweek.co.uk/

Níveis de tensão no sistema nacional

6

Redes de distribuição

7

Fusível e seccionamento

Cabos de distribuição (13,8 kV)

Linha telefônica

Trafo

Linhas de distribuição (13,8 kV)

380/220 V

— Alimentadores

• Condutores que conectam SEs à área de distribuição

• Não há taps (derivações)

— Distribuidores

• Condutores de onde são derivados os taps para

alimentar consumidores

• Correntes não constantes

• Projetados para ±6% de queda de tensão

— Entradas de serviço

• Condutor (pequeno) que conecta o consumidor ao

distribuidor

Partes de uma rede de distribuição

8

— Natureza da tensão

• CA

o mais simples e mais barata

• CC

o utilizada em sistemas aonde CC é vantajoso

• Híbrida (CA e CC)

— Tipo de construção

• Aérea

o 5 a 10 vezes mais barata

• Subterrânea

o utilizada em áreas urbanas ou aplicações especiais

Classificação

9

— Esquema de conexão

• Radial

• Em anel

• Inter-conectada

o Cada esquema tem vantagens e desvantagens

— Passividade

• Redes passivas

o não há geração local

• Redes ativas

o há unidades de armazenamento ou geração local

Classificação

10

— Níveis de tensão adequados

• Variações de tensão para os consumidores deve ser

minimizada

• Tensão baixa

o Multas

o Perdas em iluminação

o Degradação de motores

• Tensão alta

o Prejuízos à lâmpadas, chuveiros

o Falhas de eletrônicos

Requisitos para uma rede de distribuição

11

— Disponibilidade de energia frente à demanda

• A rede deve ser capaz de fornecer picos de potência

o Partida de motores

o Chaveamento de grandes cargas

• Deve-se utilizar a predição baseada em estudos de

comportamento de cargas

— Confiabilidade

• Nossa sociedade é dependente da energia elétrica

• Métodos para aumento de confiabilidade

o Interconexões

o Sistemas de controle automático eficientes

o Reservas adicionais de energia

Requisitos para uma rede de distribuição

12

— Tecnologia habilitadora

• TRANFORMADOR

o Facilidade de elevar/reduzir tensões no sistema

— Divide-se em

• Sistema de distribuição primária

o Níveis mais altos de tensão V=f(P)

o 13,8 kV / 4,16 kV / 3,3 kV / etc

o Trifásico / 3-fios

• Sistema de distribuição secundária

o Níveis de tensão para o uso final

o 380 V / 400 V / 220 V / 127 V / etc

o Trifásico / 4-fios

o Monofásico / diversas configurações

Distribuição em corrente alternada

13

http://www.unisoma.com.br/br/casos-

energia-2.php

14 INEP

Sistema de distribuição primária

14

15 INEP

Configurações de SEs (distr. primária)

— SEs com barra única

15

— SEs com barra dupla

Configurações de SEs (distr. primária)

16

— Sistema primário seletivo

• ChT: Chaves de transferência

Configurações de SEs (distr. primária)

17

— Sistema primário operando em malha aberta

Configurações de SEs (distr. primária)

18

19 INEP

Sistema de distribuição secundária

19

— Modelagem matemática básica (regime perm.)

• Quedas de tensão dependem de R, L e C

• Cálculos utilizam vetores (fasores)

• Fator de potência deve ser considerado

• Fases das tensões podem ser referenciadas tanto a

origem do sistema, quanto ao ponto de consumo

• Cargas não-lineares são complexas de modelar

• Harmônicas representam um grande problema

Distribuição em corrente alternada

20

— Conexão de cargas

• Monofásicas

o Fase—neutro

o Fase—fase

• Trifásicas

o Conectadas em ∆

o Conectadas em Y

– 3 fios

– 4 fios

o Simétricas

o Assimétricas

Distribuição em corrente alternada

21

— Tecnologia habilitadora

• CONVERSORES ESTÁTICOS

o Capacidade de controlar tensões no sistema

— Somente utilizada (hoje) aonde CC é essencial

— Principais tipos

• 2-fios

• 3-fios (bipólo)

Distribuição em corrente contínua

22

23 INEP

Geração em corrente contínua (bipolar)

— Métodos

• Dois geradores CC

• Gerador CC a três fios

23

24 INEP

Geração em corrente contínua (bipolar)

• Gerador com grupo de balanceamento

o Máquinas CC tipo shunt mecanicamente acopladas

o Enrolamentos de campos conectados em série

24

25 INEP

Desbalanços em uma rede CC bipolar

— Perdas nos condutores são minimizadas se as

correntes forem equilibradas

— Na prática a seção do condutor central é a metade

dos externos

r+ i+

V+

V_

P+

P_

r0

r_ i_

i 0

25

26 INEP

Comparação: bipolar x unipolar

— Diferença de volume de cobre para uma dada perda:

• Se o condutor central apresentar uma seção igual

à metade dos condutores externos:

o VolCu,bipolar = 31,25% VolCu,unipolar

• Se o condutor central apresentar uma seção igual

à dos condutores externos:

o VolCu,bipolar = 37,50% VolCu,unipolar

• Tarefa:

o Comparar com redes CA trifásicas

26

27 INEP

Capacidade de transmissão

Fonte: Starke et al. “Ac vs. dc distribution: Maximum Transfer Capability,” Transmission and Distribution Conference and Exposition, 2008. 27

— Distribuidor alimentado em um terminal

— Distribuidor alimentado em dois terminais

Tipos de distribuidores em CC

28

— Distribuidor alimentado em um ponto central

— Distribuidor em anel

Tipos de distribuidores em CC

29

— Modelagem matemática básica (regime perm.)

• Quedas de tensão dependem de R

• Cálculos utilizam aritmética simples

• Fator de potência não é definido

• Cargas não-lineares são modeladas mais facilmente

• Cargas podem ser modeladas como

o Concentradas

o Distribuídas

• Objetivos: encontrar pontos de tensão mínima

Distribuição em corrente contínua

30

Linhas aéreas x subterrâneas

31

— Segurança subt.

— Custo inicial aérea

— Flexibilidade aérea

— Custo de falhas aérea

— Aparência subt.

— Localização de faltas aérea

— Reparos aérea

— Capacidade de corrente aérea

— Queda de tensão subt.

— Vida útil subt.

— Custo de manutenção subt.

— Interferência EM subt.

Esquemas de conexão (radial)

32

— “Radiação” dos alimentadores de uma única SE

— Vantagens

• Simples

• Barato

— Desvantagens

• O final do distribuidor será mais carregado

• Dependência de um único alimentador

• Consumidores ao fim dos distribuidores tem maiores

quedas de tensão

— Exemplos

Esquemas de conexão (radial)

33

Esquemas de conexão (anel)

34

— Os primários dos trafos de distribuição formam um

laço (“anel”) em volta da área a ser alimentada

— Vantagens

• Menos flutuações de tensão

• Confiabilidade alta (dois caminhos)

— Desvantagens

• Mais caro

• Dependência de uma única SE

— Exemplos

Esquemas de conexão (anel)

35

Esquemas de conexão (sistema

interconectado)

36

— O anel de distribuição é alimentado por mais de uma

SE

— Vantagens

• Menos flutuações de tensão

• Confiabilidade ainda mais alta (dois caminhos e duas

SEs)

• Possibilidade de escolha da SE em caso de picos de

demanda

— Desvantagens

• Mais caro

— Exemplos

Esquemas de conexão (sistema interconectado)

37

Fenômenos em uma rede de energia

38

Controles em uma rede de energia

39

— Depende do objetivo

— Cada tipo de análise utiliza modelos apropriados

— Partes do modelo:

• Geradores

• Transformadores

• Dispositivos de proteção

• Cabos (parâmetros distribuídos)

• Cargas (concentradas ou distribuídas)

o Lineares

o Não lineares

• Equipamentos de qualidade de energia

o Filtros

o Reguladores de tensão e frequência

o Compensadores

• etc

Modelagem de redes de distribuição

40

41 INEP

Exemplo de cálculo de perdas em redes de

distribuição (CA)

— Sistema exemplo:

— Modelo:

41

Fonte: Starke et al. “Ac vs. dc distribution: A loss comparison,” Transmission and Distribution Conference and Exposition, 2008.

42 INEP

Exemplo de cálculo de perdas em redes de

distribuição (CA)

— Sistema exemplo:

— Modelo:

42

43 INEP

Exemplo de cálculo de perdas em redes de

distribuição (CA)

— Modelo:

— Equações do circuito:

o Correntes injetadas nos nós

43

44 INEP

Exemplo de cálculo de perdas em redes de

distribuição (CA)

— Modelo:

— Em forma matricial:

o Correntes e tensões são incógnitas

44

45 INEP

Exemplo de cálculo de perdas em redes de

distribuição (CA)

— Modelo:

— Equações complementares:

o Potências

— Sistema final:

o Não linear

o Diferentes métodos para solução

45

46 INEP

Exemplo de cálculo de perdas em redes de

distribuição (CA)

— Modelo:

— Tipos de barras e variáveis conhecidas:

46

47 INEP

Exemplo de cálculo de perdas em redes de

distribuição (CA)

— Modelo:

— Método “double current injection” (exemplo):

• 1º passo: Perdas são nulas e calculam-se as

correntes

• 2º passo: Perdas são as do passo anterior e

recalculam-se as correntes

• Processo iterativo até erro < limite

47

48 INEP

Exemplo de cálculo de perdas em redes de

distribuição (CC)

— Trocar trafos por conversores CC-CC

— Considerar rendimentos

— Perdas são dependentes somente de R

— Cargas não necessitam de fator de potência

— Modelos:

48

49 INEP

Exemplo de cálculo de perdas em redes de

distribuição (CC)

— Modelo:

— Equações complementares:

o Potências

— Sistema final:

o Mais simples

o Newton-Raphson é suficiente

49

50 INEP

Exemplo de cálculo de perdas em redes de

distribuição (CC)

— Modelo:

— Tipos de barras e variáveis conhecidas:

50

51 INEP

Exemplo de cálculo de perdas em redes de

distribuição (CA vs CC)

— Potências

• CA:

• CC:

— Perdas

• CA:

• CC:

— Para perdas e cabos iguais:

51

52 INEP

Exemplo de cálculo de perdas em redes de

distribuição (CA vs CC)

— Para perdas e cabos iguais:

— Considerando

• Linha CC bipolar

• Tensões de pico

• Relação de tensões para mesmas perdas:

52

53 INEP

Exemplo de cálculo de perdas em redes de

distribuição (CA vs CC)

— Perdas a considerar

• Circuitos de proteção

• Cabos

• Conversores CC-CC

o CC

o Rendimento 90..99%

• Conversores CC-CA

o CC

o Rendimento 97%

• Transformadores

o CA

o Rendimento 98%

53

Exemplo de cálculo de perdas em redes de

distribuição (CA vs CC)

54

Fonte: Starke et al. “Ac vs. dc distribution: A loss comparison,” Transmission and Distribution Conference and Exposition, 2008.