Regulação de Tensão

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CPE852 – Controle e Estabilidade
de Tensão
Introdução
Glauco Taranto
1
ESTABILIDADE DE SISTEMAS DE POTÊNCIA
Capacidade de permanecer em equilíbrio operativo
Equilíbrio entre forças em oposição
ESTABILIDADE
ANGULAR
ESTABILIDADE
DE TENSÃO
Capacidade de manter perfil de tensão
aceitável em regime permanente
Capacidade de manter sincronismo
Equilíbrio de torques nas máquinas síncronas
ESTABILIDADE A
PEQUENAS
PERTURBAÇÕES
Métodos Lineares
ESTABILIDADE
TRANSITÓRIA
Balanço de potência reativa
ESTABILIDADE
MID-TERM
ESTABILIDADE
LONG-TERM
GRANDES
PERTURBAÇÕES
PEQUENAS
PERTURBAÇÕES
Relações PxV e QxV em
regime permanente
Grandes perturbações
Perturbações severas
Grandes perturbações
Primeiro swing
Grandes excursões de tensão e freqüência
Eventos chaveados
Margem de estabilidade
Estudos até 10 s
INSTABILIDADE
APERIÓDICA
Torque de sincronismo
insuficiente
INSTABILIDADE
OSCILATÓRIA
Dinâmica rápida e lenta
Período de estudo de
vários minutos
Freqüência do sistema
constante e uniforme
Dinâmica lenta
Dinâmica de OLTC e
cargas
Coordenação de
proteção e controles
Período de estudo de
dezenas de minutos
Reserva de reativo
Ponto de Colapso
Métodos Lineares
Torque de amortecimento insuficiente
Ação de controle desestabilizante
Abril 2008
MODOS LOCAIS
MODOS INTER-ÁREAS
Curso PETROBRAS
MODOS DE CONTROLE
MODOS TORSIONAIS
2
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.
3
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
4
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)
5
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
6
Malhas de Controle nos Geradores
7
Regulador Integrado de Tensão e de
Velocidade
8
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
9
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.
10
Capacidade de Curto-Circuito
Referência: C. Taylor, “Power System Voltage Stability”, McGraw-Hill, 1994.
11
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
12
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”
13
Regulação de Tensão
• Na engenharia, a utilização de fórmulas
aproximadas muitas vezes é bem-vinda para
uma análise expedita.
∆𝑄
∆𝑉 ≅
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.
14
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
Na distribuição, passa a ser relevante
também:
∆𝑉 ≅
* Cabo típico de redes de distribuição
∆𝑃
𝐶𝐶𝐶
15
Regulação de Tensão
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
Arquivo: smec_CCC.fdx (disponível em http://www.coep.ufrj.br/~tarang/csi.html)
16
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
Barra#2
∆𝑉 % ≅
0,9985 − 0,9911
× 100% = 0,75%
0,991
Barra#5
∆𝑉 % ≅
0,9470 − 0,9242
× 100% = 2,5%
0,9242
17
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
18
Regulação de Tensão
(sem uma LT 4-5)
Arquivo: smec_CCC_1LT.fdx (disponível em http://www.coep.ufrj.br/~tarang/csi.html)
19
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
Barra#2
∆𝑉 % ≅
0,9732 − 0,9642
× 100% = 0,93%
0,9642
Barra#5
∆𝑉 % ≅
0,8620 − 0,8250
× 100% = 4,48%
0,8250
20
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
21
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
∆𝑃 % ≅
209,859 − 205,892
× 100% = 1,93%
205,892
∆𝑃 % ≅
208,965 − 205,600
× 100% = 1,64%
205,600
22
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
∆𝑄 % ≅
90,384 − 42,386
× 100% = 113%
42,386
∆𝑄 % ≅
69,430 − 27,554
× 100% = 152%
27,554
23
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