Introdução às redes de distribuição

Introdução às redes de distribuição
Eletrônica de Potência para
Redes Ativas de Distribuição
Marcelo Lobo Heldwein, Dr. Sc.
<[email protected]>
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
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Transmissão e transformação de energia
3
Transmissão e transformação de energia
Redes de distribuição
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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
http://muraliblog.com/change/hyderabad
-also-known-as-cables-city-why/
http://www.utilityweek.co.uk/
5
Níveis de tensão no sistema nacional
6
Redes de distribuição
Fusível e seccionamento
Linhas de distribuição (13,8 kV)
Cabos de distribuição (13,8 kV)
Trafo
Linha telefônica
380/220 V
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Partes de uma rede de distribuição
— 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
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Classificação
— Natureza da tensão
•
CA
o
•
mais simples e mais barata
CC
utilizada em sistemas aonde CC é vantajoso
• Híbrida (CA e CC)
o
— Tipo de construção
Aérea
o 5 a 10 vezes mais barata
• Subterrânea
o utilizada em áreas urbanas ou aplicações especiais
•
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Classificação
— 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
•
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Requisitos para uma rede de distribuição
— 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
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Requisitos para uma rede de distribuição
— 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
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Distribuição em corrente alternada
— 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
http://www.unisoma.com.br/br/casosenergia-2.php
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Sistema de distribuição primária
INEP
14
14
Configurações de SEs (distr. primária)
— SEs com barra única
INEP
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Configurações de SEs (distr. primária)
— SEs com barra dupla
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Configurações de SEs (distr. primária)
— Sistema primário seletivo
• ChT: Chaves de transferência
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Configurações de SEs (distr. primária)
— Sistema primário operando em malha aberta
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Sistema de distribuição secundária
INEP
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19
Distribuição em corrente alternada
— 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
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Distribuição em corrente alternada
— 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
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Distribuição em corrente contínua
— 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)
•
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Geração em corrente contínua (bipolar)
— Métodos
• Dois geradores CC
• Gerador CC a três fios
INEP
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23
Geração em corrente contínua (bipolar)
• Gerador com grupo de balanceamento
o Máquinas CC tipo shunt mecanicamente acopladas
o Enrolamentos de campos conectados em série
INEP
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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
V+
V_
r+
i+
r0
i0
r_
i_
P+
P_
INEP
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25
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
INEP
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26
Capacidade de transmissão
Fonte: Starke et al. “Ac vs. dc distribution: Maximum Transfer Capability,”
Transmission and Distribution Conference and Exposition, 2008.
INEP
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27
Tipos de distribuidores em CC
— Distribuidor alimentado em um terminal
— Distribuidor alimentado em dois terminais
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Tipos de distribuidores em CC
— Distribuidor alimentado em um ponto central
— Distribuidor em anel
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Distribuição em corrente contínua
— 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
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Linhas aéreas x subterrâneas
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
Segurança
Custo inicial
Flexibilidade
Custo de falhas
Aparência
Localização de faltas
Reparos
Capacidade de corrente
Queda de tensão
Vida útil
Custo de manutenção
Interferência EM
subt.
aérea
aérea
aérea
subt.
aérea
aérea
aérea
subt.
subt.
subt.
subt.
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Esquemas de conexão (radial)
— “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
•
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Esquemas de conexão (radial)
— Exemplos
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Esquemas de conexão (anel)
— 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
•
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Esquemas de conexão (anel)
— Exemplos
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Esquemas de conexão (sistema
interconectado)
— 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
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Esquemas de conexão (sistema interconectado)
— Exemplos
37
Fenômenos em uma rede de energia
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Controles em uma rede de energia
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Modelagem de redes de distribuição
— 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
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Exemplo de cálculo de perdas em redes de
distribuição (CA)
— Sistema exemplo:
— Modelo:
Fonte: Starke et al. “Ac vs. dc distribution: A loss comparison,” Transmission41and
Distribution Conference and Exposition, 2008.
INEP
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Exemplo de cálculo de perdas em redes de
distribuição (CA)
— Sistema exemplo:
— Modelo:
INEP
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42
Exemplo de cálculo de perdas em redes de
distribuição (CA)
— Modelo:
— Equações do circuito:
o
Correntes injetadas nos nós
INEP
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43
Exemplo de cálculo de perdas em redes de
distribuição (CA)
— Modelo:
— Em forma matricial:
o
Correntes e tensões são incógnitas
INEP
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Exemplo de cálculo de perdas em redes de
distribuição (CA)
— Modelo:
— Equações complementares:
o
Potências
— Sistema final:
o
o
Não linear
Diferentes métodos para solução
INEP
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45
Exemplo de cálculo de perdas em redes de
distribuição (CA)
— Modelo:
— Tipos de barras e variáveis conhecidas:
INEP
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46
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
INEP
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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:
INEP
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Exemplo de cálculo de perdas em redes de
distribuição (CC)
— Modelo:
— Equações complementares:
o
Potências
— Sistema final:
o
o
Mais simples
Newton-Raphson é suficiente
INEP
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Exemplo de cálculo de perdas em redes de
distribuição (CC)
— Modelo:
— Tipos de barras e variáveis conhecidas:
INEP
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Exemplo de cálculo de perdas em redes de
distribuição (CA vs CC)
— Potências
• CA:
• CC:
— Perdas
• CA:
• CC:
— Para perdas e cabos iguais:
INEP
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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:
INEP
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Exemplo de cálculo de perdas em redes de
distribuição (CA vs CC)
— Perdas a considerar
• Circuitos de proteção
• Cabos
• Conversores CC-CC
o
o
CC
Rendimento  90..99%
• Conversores CC-CA
o CC
o Rendimento  97%
• Transformadores
o CA
o Rendimento  98%
INEP
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Exemplo de cálculo de perdas em redes de
distribuição (CA vs CC)
Fonte: Starke et al. “Ac vs. dc distribution: A loss comparison,” Transmission and
Distribution Conference and Exposition, 2008.
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