Regulação de Tensão - COPPE/UFRJtarang/CPE852/Introducao.pdf · Reserva de reativo Ponto de...
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Abril 2008 Curso PETROBRAS 2
ESTABILIDADE DE SISTEMAS DE POTÊNCIA
Capacidade de permanecer em equilíbrio operativo
Equilíbrio entre forças em oposição
ESTABILIDADE
ANGULAR
ESTABILIDADE
DE TENSÃO
ESTABILIDADE A
PEQUENAS
PERTURBAÇÕES
ESTABILIDADE
TRANSITÓRIA
ESTABILIDADE
MID-TERM
ESTABILIDADE
LONG-TERM
GRANDES
PERTURBAÇÕES
PEQUENAS
PERTURBAÇÕES
Capacidade de manter sincronismo
Equilíbrio de torques nas máquinas síncronas
Grandes perturbações
Primeiro swing
Estudos até 10 s
Capacidade de manter perfi l de tensão
aceitável em regime permanente
Balanço de potência reativa
Perturbações severas
Grandes excursões de tensão e freqüência
Grandes perturbações
Eventos chaveados
Dinâmica de OLTC e
cargas
Coordenação de
proteção e controles
Relações PxV e QxV em
regime permanente
Margem de estabilidade
Reserva de reativo
Ponto de Colapso
Métodos Lineares
INSTABILIDADE
APERIÓDICA
INSTABILIDADE
OSCILATÓRIA
Torque de sincronismo
insuficiente
Dinâmica rápida e lenta
Período de estudo de
vários minutos
Freqüência do sistema
constante e uniforme
Dinâmica lenta
Período de estudo de
dezenas de minutos
MODOS INTER-ÁREASMODOS LOCAIS MODOS DE CONTROLE MODOS TORSIONAIS
Torque de amortecimento insuficiente
Ação de controle desestabilizante
Métodos Lineares
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Conceitos Básicos e Definições
• Estável: Capacidade de se manter tensões aceitáveis tanto em condições normais quanto em emergências.
• Instável: Incapacidade de manutenção do balanço de potência reativa.
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Fatores de causa da instabilidade
• Aumento de carga
• Cargas do tipo motor de indução em subtensão
• Geradores distantes dos centros de carga
• Níveis baixos de tensão terminal dos geradores
• Insuficiência de compensação reativa na carga
• Restabelecimento da carga via ação de LTCs
• Perda de bancos de capacitores
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Equipamentos de Controle de Tensão
• Sistema de excitação das máquinas síncronas (geradores ou compensadores);
• Banco de capacitores e reatores;
• Transformadores com tape variável;
• Compensadores estáticos (SVC, STATCOM)
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Medidas efetivas
• Aplicação de novos elementos na rede (compensadores síncronos ou estáticos, banco de capacitores, etc.)
• Controle de tensão da barra de alta nas usinas
• Controle da mudança de tap em LTCs
• Controle coordenado de tensão
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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
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A Característica Locacional do Problema
• Devido às restrições operativas de tensões nodais sempre próximas a 1,0 pu, cria-se uma situação de dificuldade de fluxo de potência reativa nos elementos de rede do sistema.
• A solução do problema de instabilidade de tensão deve ser então resolvido por equipamentos de controle de tensão locais.
Capacidade de Curto-Circuito
Referência: C. Taylor, “Power System Voltage Stability”, McGraw-Hill, 1994.
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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
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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”
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Regulação de Tensão
• 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.
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A relação X/R
Por exemplo, uma linha típica de 345 kV tem a relação X/R próxima a 10 e uma de 500 kV tem a relação X/R próxima a 18.
Entretanto, por exemplo, no Cabo 1/0 CA* essa relação reduz para 0,7.
Regulação de tensão: ∆𝑉 ≅∆𝑄
𝐶𝐶𝐶
∆𝑉 ≅∆𝑃
𝐶𝐶𝐶
Na distribuição, passa a ser relevante também:
15 * Cabo típico de redes de distribuição
Regulação de Tensão
Arquivo: smec_CCC.fdx (disponível em http://www.coep.ufrj.br/~tarang/csi.html)
OBS: Todos os bancos de capacitores são de 10 Mvar. A relação X/R de todas as LTs é de (7,2%/ 0,85%) ≈ 8,5
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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
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Geração em MW/Mvar
Localização do banco
P (MW) Q (Mvar) Ângulo Barra #1
Ângulo Barra #5
Sem banco 205,892 42,386 3,59 -16,58
Barra #2 205,775 29,396 3,59 -16,30
Barra #3 205,703 28,249 3,59 -16,20
Barra #4 205,664 27,632 3,59 -16,16
Barra #5 205,600 27,554 3,59 -16,16
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Regulação de Tensão (sem uma LT 4-5)
Arquivo: smec_CCC_1LT.fdx (disponível em http://www.coep.ufrj.br/~tarang/csi.html)
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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
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Geração em MW/Mvar
Localização do banco
P (MW) Q (Mvar) Ângulo Barra #1
Ângulo Barra #5
Sem banco 209,859 90,384 3,59 -24,15
Barra #2 209,507 74,416 3,59 -23,51
Barra #3 209,294 71,994 3,59 -23,25
Barra #4 209,131 70,396 3,59 -23,08
Barra #5 208,965 69,430 3,59 -22,99
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Comparação da Geração Ativa
Com 2 LTs entre 4-5 Com 1 LT entre 4-5
Localização do banco
P (MW) Q (Mvar) P (MW) Q (Mvar)
Sem banco 205,892 42,386 209,859 90,384
Barra #2 205,775 29,396 209,507 74,416
Barra #3 205,703 28,249 209,294 71,994
Barra #4 205,664 27,632 209,131 70,396
Barra #5 205,600 27,554 208,965 69,430
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∆𝑃 % ≅209,859 − 205,892
205,892× 100% = 1,93%
∆𝑃 % ≅208,965 − 205,600
205,600× 100% = 1,64%
Comparação da Geração Reativa
Com 2 LTs entre 4-5 Com 1 LT entre 4-5
Localização do banco
P (MW) Q (Mvar) P (MW) Q (Mvar)
Sem banco 205,892 42,386 209,859 90,384
Barra #2 205,775 29,396 209,507 74,416
Barra #3 205,703 28,249 209,294 71,994
Barra #4 205,664 27,632 209,131 70,396
Barra #5 205,600 27,554 208,965 69,430
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∆𝑄 % ≅90,384 − 42,386
42,386× 100% = 113%
∆𝑄 % ≅69,430 − 27,554
27,554× 100% = 152%