Tabela 5 - Valores do fator de agregação - FGA

1
Universidade de Brasília - UnB
Faculdade UnB Gama - FGA
Curso de Engenharia de Energia
ANÁLISE DOS IMPACTOS DA CONEXÃO DE
PARQUES EÓLICOS, NA REDE BÁSICA, SOBRE OS
INDICADORES DE DISTORÇÃO HARMÔNICA
Autora: Marayanne Cristalino Chaves de Almeida
Orientador: Prof. Dr. Alex Reis
Brasília, DF
2016
2
MARAYANNE CRISTALINO CHAVES DE ALMEIDA
ANÁLISE DOS IMPACTOS DA CONEXÃO DE PARQUES EÓLICOS, NA REDE
BÁSICA, SOBRE OS INDICADORES DE DISTORÇÃO HARMÔNICA.
Monografia submetida ao curso de
graduação em Engenharia de Energia da
Universidade de Brasília, como requisito
parcial para obtenção do Título de
Bacharel em Engenharia de energia.
Orientador: Professor Dr. Alex Reis.
Brasília, DF
2016
3
CIP – Catalogação Internacional da Publicação
Cristalino Chaves de Almeida, Marayanne.
Análise dos impactos da conexão de parques eólicos, na
rede básica, sobre os indicadores de distorção
harmônica / Marayanne Cristalino Chaves de Almeida.
Brasília: UnB, 2016. 103 p. : il. ; 29,5 cm.
Monografia (Graduação) – Universidade de Brasília
Faculdade do Gama, Brasília, 2016. Orientação: Alex Reis.
1. Distorção harmônica. 2. Parque eólico. 3. Lugar geométrico.
I. Reis, Alex. II. Análise dos impactos da conexão de parques
eólicos, na rede básica, sobre os indicadores de distorção
harmônica.
CDU Classificação
4
ANÁLISE DOS IMPACTOS DA CONEXÃO DE PARQUES EÓLICOS, NA REDE
BÁSICA, SOBRE OS INDICADORES DE DISTORÇÃO HARMÔNICA.
Marayanne Cristalino Chaves de Almeida
Monografia submetida como requisito parcial para obtenção do Título de Bacharel
em Engenharia de Energia da Faculdade UnB Gama - FGA, da Universidade de
Brasília, em (data da aprovação 07/12/2016) apresentada e aprovada pela banca
examinadora abaixo assinada:
Prof. Dr. : Alex Reis, UnB/ FGA
Orientador
Prof. Dr. : Jorge Cormane, UnB/ FGA
Membro Convidado
Prof. Dr.a : Loana Nunes Velasco, UnB/ FGA
Membro Convidado
Brasília, DF
2016
5
Dedico este trabalho aos meus pais, Gesanne e
Mário, por sempre me apoiarem e acreditarem no
meu potencial.
6
AGRADECIMENTOS
Agradeço primeiramente à Deus por ter me dado a oportunidade de estudar e
por me fazer seguir o caminho da engenharia.
Agradeço à minha família, principalmente aos meus pais, Gesanne e Mário, e
aos meus avós Maria e Raimundo pelo carinho e amor sempre dado a mim e às
minhas irmãs e por sempre acreditarem na minha capacidade, me dando forças e
me apoiando sempre que preciso.
Agradeço a todos os meus amigos e amigas pelos momentos de
descontração, risadas, companheirismo e pelo compartilhamento de todos os
momentos difíceis durante o curso, me motivando a nunca desistir. Obrigada por
fazer os meus dias melhores.
Agradeço ao meu orientador, professor Alex Reis, por gentilmente me
oferecer um tema para estudo, pela paciência, pelas ótimas explicações e por
sempre estar disposto a ajudar.
Agradeço também a todos os professores que ajudam e ajudaram na minha
formação, compartilhando tão bem seus conhecimentos. E a todas as pessoas que
de algum modo ajudaram para a elaboração deste trabalho, o meu muito obrigada.
7
RESUMO
Este trabalho tem como objetivo analisar a conexão de um parque eólico em uma
barra do sistema interligado nacional, frente ao estudo de distorção harmônica de
tensão no ponto de acoplamento comum (PAC). Para realizar este estudo deve-se
obter por meio de cálculos e simulações computacionais a impedância da rede
básica, a fonte de corrente representando todas as correntes harmônicas oriundas
das cargas não lineares presentes no parque eólico bem como sua impedância.
Neste trabalho realizou-se o cálculo da impedância da rede básica, sendo os
próximos passos a serem realizados no TCC2. Neste contexto, é aqui exposto um
modelo de representação da impedância da rede externa através do uso do método
do lugar geométrico, analisando-se 2 tipos de lugares geométricos diferentes
recomendados pelo ONS, o LG de Setor Anular e o LG Polígono de “n” Lados,
através da nota técnica 009/2016. Para a realização de tal método, usou-se o
software HarmZs para os cálculos da impedância harmônica da rede básica e o
traçado dos lugares geométricos. Por fim, comparou-se os dois LG’s com base na
teoria estudada e nos documentos regulamentais consultados.
Palavras-chave: distorção harmônica, lugar geométrico, parque eólico, PAC, carga
não-linear.
8
ABSTRACT
This work has an aims to analyze the connection of a wind farm in a bar of the
national interconnected system, in front of the study of harmonic voltage distortion at
the common coupling point (PAC). To realise this study, the impedance of the basic
electrical network, the current source representing all the harmonic currents from the
non-linear loads present in the wind farm, as well as its impedance, must be obtained
through calculations and simulations. In this work, the basic electrical network
impedance was calculated, and the next steps to be performed in TCC2. In this
context, it is exposed here a model of representation of the impedance of the
external network through the use of the geometric place method, analyzing 2
different types of different places recommended by the ONS, LG of Sector Void and
the LG Polygon of "n" Sides, by means of technical note 009/2016. In order to
perform such a method, the HarmZs software was used for calculations of the
harmonic impedance of the basic network and the tracing of the geometric place.
Finally, the two LGs were compared on the basis of the theory studied and the
regulatory documents consulted.
Keywords: harmonic distortion, geometric place, wind farm, PAC, non-linear load.
9
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Componentes espectrais de formas de onda de frequência f. ................. 20
Tabela 2 - Valores de referência globais das distorções harmônicas totais. ............. 25
Tabela 3 - Limites globais inferiores de tensão em porcentagem da tensão
fundamental............................................................................................................... 26
Tabela 4 - Limites individuais em porcentagem da tensão fundamental. .................. 27
Tabela 5 - Valores do fator de agregação (a). ........................................................... 30
Tabela 6 - Dados das linhas da rede elétrica. ........................................................... 34
Tabela 7- Dados dos transformadores da rede elétrica. ........................................... 34
Tabela 8- Dados dos bancos de capacitores da rede elétrica ................................... 34
10
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Relação não linear de tensão e corrente de uma carga não linear. .......... 19
Figura 2- Onda distorcida decomposta em série de Fourier. ................................... 21
Figura 3 - Diagrama de potências segundo o modelo de Budeanu........................... 23
Figura 4 - Equivalente Norton com o LG da rede básica. .......................................... 28
Figura 5 – a) Ilustração do LG Polígono de "n" Lados. b) Ilustração do LG Setor
Anular. ....................................................................................................................... 29
Figura 6 - Ferramenta Batch no HarmZs. .................................................................. 32
Figura 7 - Diagrama unifilar da rede básica. ............................................................. 33
Figura 8- Rede montada no HarmZs. ........................................................................ 35
Figura 9 - Dados para traçado do LG no HarmZs. .................................................... 36
Figura 10- LG Setor Anular gerado pelo HarmZs. ..................................................... 37
Figura 11- LG Polígono de "n" Lados, gerado pelo HarmZs. .................................... 37
Figura 12- LGs Setor Anular e Polígono de "n" Lados, traçados pelo HarmZs. ........ 38
Figura 13 - Resposta em frequência do sistema. ...................................................... 39
11
LISTA DE SIGLAS
SIGLA
SIGNIFICADO
ABEEÓLICA ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE ENERGIA EÓLICA
ANEEL
AGÊNCIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA
CEPEL
CENTRO DE PESQUISA DE ENERGIA ELÉTRICA
DTHT
DISTORÇÃO HARMÔNICA TOTAL DE TENSÃO
DITh
DISTORÇÃO HARMÔNICA INDIVIDUAL DE TENSÃO
HARMZs
SOFTWARE COMPUTACIONAL
LG
LUGAR GEOMÉTRICO
ONS
OPERADOR NACIONAL DO SISTEMA ELÉTRICO
PAC
PONTO DE ACOPLAMENTO COMUM
PROINFA
PROGRAMA DE INCENTIVO ÀS FONTES ALTERNATIVAS DE
ENERGIA ELÉTRICA.
PRODIST
PROCEDIMENTO DE DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA NO
SISTEMA ELÉTRICO NACIONAL
PROREDE
PROCEDIMENTOS DE REDE
PU
POR UNIDADE
QEE
QUALIDADE DA ENERGIA ELÉTRICA
SIN
SISTEMA INTERLIGADO NACIONAL
TPF
FATOR DE POTÊNCIA VERDADEIRO
12
SUMÁRIO
AGRADECIMENTOS .................................................................................................. 6
RESUMO..................................................................................................................... 7
ABSTRACT................................................................................................................. 8
LISTA DE TABELAS .................................................................................................. 9
LISTA DE FIGURAS ................................................................................................. 10
LISTA DE SIGLAS .................................................................................................... 11
1. INTRODUÇÃO ...................................................................................................... 13
2.
3.
4.
1.1.
CONSIDERAÇÕES INICIAIS .............................................................................................. 13
1.2.
OBJETIVOS DO TRABALHO .............................................................................................. 15
1.3.
PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS ............................................................................ 15
1.4.
ESTRUTURA DO TRABALHO ............................................................................................ 16
CONEXÃO DE PARQUES EÓLICOS NA REDE BÁSICA................................ 17
2.1.
QUALIDADE DA ENERGIA ELÉTRICA .............................................................................. 18
2.2.
HAMÔNICOS: INDICADOR DE QUALIDADE DE ENERGIA ELÉTRICA........................... 19
2.3.
CÁLCULOS DE DISTORÇÃO HARMÔNICA E VALORES DE REFERÊNCIA. ................. 24
2.4.
MÉTODO DO LUGAR GEOMÉTRICO ................................................................................ 27
2.5.
O PROGRAMA COMPUTACIONAL HARMZs .................................................................... 31
SIMULAÇÕES E RESULTADOS ...................................................................... 32
3.1.
REDE BÁSICA DO SISTEMA ELÉTRICO .......................................................................... 33
3.2.
RESULTADOS PARCIAIS ................................................................................................... 34
CONSIDERAÇÕES FINAIS ............................................................................... 40
REFERÊNCIAL TEÓRICO........................................................................................ 42
13
1. INTRODUÇÃO
A conexão de parques eólicos na rede elétrica deve ser corretamente
estudada e projetada, analisando-se todas as variáveis necessárias e tomando
como base normas e documentos para tal finalidade, afim de que esta não cause
perturbações além do permitido nos indicadores de desempenho da rede elétrica.
Tendo em vista esta problemática, este trabalho tem como objeto de estudo as
distorções harmônicas de tensão no ponto de acoplamento de parques eólicos na
rede elétrica.
1.1. CONSIDERAÇÕES INICIAIS
Existe uma preocupação em relação ao meio ambiente pois este é o que dá
suporte a vida dos seres humanos. Para se ter um controle dos impactos ambientais,
todos os processos produtivos devem levar em consideração a variável ambiental.
Sobre este ponto de vista, tem-se no setor elétrico a adoção de energias renováveis
como uma opção de geração mais limpa frente a geração de fontes não renováveis.
No Brasil, pode-se considerar que a primeira ação que realmente veio a
impulsionar o uso das fontes renováveis de energia foi tomada em 2002 com a
aprovação da lei n.10.438 que criou o PROINFA (Programa de Incentivos às Fontes
Alternativas de Energia Elétrica), tendo este definido metas para participação das
fontes renováveis no sistema elétrico interligado nacional. (FADIGAS, 2011)
Dentre as energias renováveis, a energia eólica vem se destacando na matriz
elétrica brasileira, de acordo com dados da ABBEÓLICA (Associação Brasileira de
Energia Eólica), divulgados no seu Boletim de Dados do mês de agosto de 2016, a
energia eólica, atualmente, corresponde a um percentual de 6,8% da produção de
energia elétrica do país, o que equivale a 9,96 GW de capacidade eólica instalada.
Nesse sentido, ainda de acordo com dados da ABEEÓLICA, a capacidade instalada
tende a crescer cada vez mais, com previsões de que, em 2020, atinja-se 18,42GW
de potência instalada em território brasileiro. (ABEEÓLICA, 2016)
Com o aumento de usinas eólicas, crescem também a necessidade de
documentos normativos e regulamentos técnicos afim de padronizar o processo,
facilitar a comunicação entre os agentes envolvidos, facilitar a expansão do
empreendimento e delimitar parâmetros de segurança, confiabilidade, qualidade da
energia elétrica, entre outros.
14
Dentre os documentos que compõe a legislação do setor elétrico brasileiro,
tem-se os Procedimentos de Rede, os quais são um conjunto de documentos
criados pelo Operador Nacional do Sistema Elétrico (ONS), com a participação dos
agentes e aprovados pela Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL) com o
objetivo de garantir a excelência da operação do Sistema Interligado Nacional (SIN),
estabelecer responsabilidades sobre os agentes do setor elétrico brasileiro e
especificar os requisitos técnicos contratuais. (ONS, 2009)
Dentre outros aspectos, estes documentos se aplicam aos agentes que
pretendam construir uma usina eólica, oferecendo o suporte legal e embasamento
técnico-operacional. Além disso, tem como função garantir que o projeto da usina
seja demonstrado de maneira clara e completa, demonstrando por meio de estudos
e análises, que a interligação da nova usina ao SIN não compromete os padrões
operacionais e de segurança da rede. (ONS, 2009)
No que tange os estudos da conexão de parques eólicos no sistema elétrico,
este deve ser corretamente realizado, pois é um dos fatores essenciais no projeto de
uma usina eólica, considerando-se que esta provoca impactos negativos na rede
elétrica por se tratar de uma carga de natureza não linear. (CUSTÓDIO, 2009). Os
estudos que são de cunho obrigatório são de responsabilidade do acessante e
servem para avaliar o impacto no PAC que a conexão do parque eólico irá causar.
Estes estudos são: estudos de fluxo de potência, curto-circuito, estabilidade
eletromecânica e distorção harmônica, que faz parte do estudo de QEE. (JESUS,
2012)
O estudo de fluxo de potência é realizado para determinar o funcionamento
em regime permanente de um sistema elétrico. O estudo de curto-circuito é realizado
para analisar o nível de curto-circuito na barra onde será conectado o parque eólico
e nas barras ao redor, considerando-se pelo menos até a segunda vizinhança da
barra de conexão do parque. O estudo de estabilidade eletromecânica é feito para
analisar o comportamento do sistema após um distúrbio, pois este deve ser capaz
de recuperar-se e voltar a operação de equilíbrio. E o estudo de distorção harmônica
deve ser realizado para conhecer a distorção harmônica total de tensão que a
conexão do parque irá causar no PAC e identificar possíveis meios de mitigação
para essa distorção, caso necessário. (JESUS, 2012)
Qualidade da energia elétrica é a condição do sinal elétrico de tensão e
corrente que permite que cargas elétricas operem de forma efetiva, sem perda de
15
desempenho e de vida útil. (LEÃO; SAMPAIO; ANTUNES, 2014). Parques eólicos
conectados no sistema elétrico podem causar distúrbios na forma de onda, afetando
assim a QEE. Os principais distúrbios observados são: flutuações de tensão,
podendo ser causados por operações de chaveamento e erro no passo da pá, e
distorções
harmônicas
causadas
principalmente
pelo
uso
de
conversores
eletrônicos. (CUSTÓDIO, 2009).
Levando em consideração tais premissas, este trabalho tem como foco a
análise dos impactos da conexão de parques eólicos, sobre os indicadores de
distorção harmônica.
1.2. OBJETIVOS DO TRABALHO
O objetivo principal deste trabalho é analisar a conexão de um parque eólico
em uma barra do sistema interligado nacional, frente ao estudo de distorção
harmônica de tensão no ponto de acoplamento comum (PAC). Os objetivos
específicos, são: estudar o fenômeno da qualidade da energia elétrica tendo um
aprofundamento em distorções harmônicas, compreender as distorções harmônicas
produzidas pela geração eólica e simular a impedância da rede básica levando em
conta diferentes frequências e as devidas contingências de modo a representar do
melhor modo a rede externa vista do PAC e seus devidos modelos de
representação, utilizando o software HarmZs. A obtenção da impedância da rede
básica é uma parte para a realização do estudo de acesso do parque eólico na rede.
1.3. PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS
Para alcançar os objetivos aqui expostos e para se ter um entendimento
acerca de harmônicos e os distúrbios harmônicos causados por parques eólicos,
primeiramente foi realizado uma revisão de literatura usando-se dissertações e
trabalhos acadêmicos, livros didáticos, documentos normativos e regulamentais
dentre outros bancos de dados contendo os principais assuntos e conceitos para
melhor entendimento do tema. Após a revisão bibliográfica, foi realizado um estudo
básico para conhecimento das ferramentas do software de simulação HarmZs.
16
Para a realização completa do estudo de distorção harmônica no PAC, devese obter por meio de cálculos e simulações computacionais a impedância da rede
básica, a fonte de corrente representando todas as correntes harmônicas oriundas
das cargas não lineares presentes no parque eólico bem como sua impedância.
Nesta primeira etapa do trabalho, fez-se uma parte da simulação, que foi a de
obtenção da impedância da rede básica. O restante da simulação que conterá a
parte de representação do parque eólico como uma fonte de corrente e uma
impedância vistos do PAC será realizado no TCC2.
Concluída a simulação, os resultados obtidos foram discutidos e analisados
chegando às considerações finais dessa primeira parte do trabalho, remetendo-se
ao objetivo geral, específicos e a teoria estudada.
1.4. ESTRUTURA DO TRABALHO
Este trabalho está estruturado em 4 capítulos, sendo o primeiro um capítulo
introdutório.
O capítulo 2 aborda todo o referencial teórico do trabalho. Sendo eles:
indicadores da qualidade da energia elétrica, tendo um foco em distorções
harmônicas, limites e diretrizes frente as distorções oriundas da conexão de parques
eólicos na rede elétrica tendo como base os Procedimentos de Rede, o PRODIST e
a NT 009/2016, explicação de um método de análise de distúrbios harmônicos,
chamado método do Lugar Geométrico, uma forma de representação da fonte
harmônica de corrente e os efeitos que esses harmônicos causam no sistema.
Contém também uma explicação rápida do programa computacional utilizado para
simulações da rede e análise harmônica, HarmZs.
O capítulo 3 possui a demonstração da simulação realizada usando o
software HarmZs, indicado pelo ONS para simulações de distúrbios harmônicos
oriundo de parques eólicos, bem como os resultados obtidos pela simulação e suas
devidas analises.
Por fim, o capítulo 4 apresenta a conclusão do trabalho até a primeira etapa,
remetendo os resultados ao objetivo geral, específicos e a teoria estudada. As
considerações finais são feitas e os próximos passos a seguir são definidos.
17
2.
CONEXÃO DE PARQUES EÓLICOS NA REDE BÁSICA
Atualmente, as topologias de aerogeradores integram diversos conversores
eletrônicos de eletrônica de potência. Embora haja flexibilidade de operação e
controle proporcionada por tais dispositivos, deve-se destacar que tais equipamentos
geram correntes harmônicas que impactam a rede elétrica. Nesse sentido, um
estudo de distorção harmônica no ponto de acoplamento comum (PAC), local onde o
parque eólico será conectado na rede básica de potência, deve ser feito antes de
efetivar a conexão do parque no SIN. Isto possibilita a verificação dos impactos
sobre as distorções harmônicas associados a este acesso, e caso necessário obter
soluções para adequação dos limites de distorção.
Os agentes de geração devem agir de acordo com o que consta nos
regulamentos técnicos, notas e normas técnicas, de modo a regularizar seus
processos produtivos antes de entrarem em funcionamento. Os regulamentos
técnicos Brasileiros relacionados a qualidade da energia elétrica são os submódulo
2.8 dos Procedimentos de Rede, desenvolvido pelo ONS e o Módulo 8 dos
Procedimentos de Distribuição criados pela ANEEL, onde nestes documentos
constam diretrizes e valores de referências quanto a limites para distorções
harmônicas tanto totais quanto individuais.
Um outro documento regulatório é a Nota Técnica 009/2016 – Instruções para
a realização de estudos e medições de QEE relacionado aos novos acessos à rede
básica para parques eólicos, solares e consumidores livres, o qual possui
informações que apoiam os agentes quanto à realização de estudos e campanhas
de medições relacionados aos indicadores de conformidade de tensão. Um método
indicado pelo ONS para análise de distorções harmônicas no PAC é o método do
Lugar Geométrico, que é explicado nesta nota técnica.
Com relação ao software de simulação da rede elétrica, o ONS sugere o uso
do HarmZs por ser um programa de fácil manuseio e com uma grande capacidade
funcional frente aos cálculos e modelagens desejadas. Tendo os pressupostos aqui
ditos, para melhor entendimento do assunto e aprofundamento do tal, segue nesse
capitulo uma explicação sucinta de alguns conceitos e assuntos relacionados ao
tema.
18
2.1. QUALIDADE DA ENERGIA ELÉTRICA
Qualidade da energia elétrica (QEE) é o estado do sinal elétrico de tensão e
corrente que possa atender equipamentos, instalações e sistemas elétricos de modo
que estes funcionem de maneira adequada, sem perda de desempenho e de vida
útil. (LEÃO; SAMPAIO; ANTUNES, 2014). O termo de qualidade de energia elétrica
está relacionado com qualquer distorção que ocorra na forma de onda, magnitude e
frequência da onda. O padrão de qualidade de tensão tem forma senoidal, uma
frequência fixa (60hz no Brasil) e uma amplitude que varia de acordo com o tipo de
atendimento (transmissão, sub-transmissão ou distribuição) em alta, média ou baixa
tensão. (LEÃO; SAMPAIO; ANTUNES, 2014)
As empresas concessionárias de energia somente têm controle sobre a tensão
fornecida, elas não podem controlar a corrente que uma dada carga absorve.
(SANTOS, 2015). Embora a tensão fornecida pela concessionária seja entregue
dentro dos padrões de qualidade, esta pode sofrer distorções causadas pelos
aparelhos dos consumidores. Aparelhos estes que são sensíveis aos distúrbios de
tensão, mas que também causam distúrbios, como por exemplo a geração de
correntes harmônicas provenientes de cargas não-lineares como computadores,
lâmpadas fluorescentes e os modernos acionamento eletrônicos de motores, que ao
circularem pelas impedâncias do sistema distorcem a forma de onda da tensão.
(SANTOS, 2015).
Portanto, à fonte estão relacionados os distúrbios na forma de onda da tensão e
quanto a natureza da carga estão relacionados os distúrbios na forma de onda da
corrente e tensão. (LEÃO; SAMPAIO; ANTUNES, 2014).
Cargas lineares são aquelas que quando alimentadas por uma tensão senoidal,
produzem uma corrente também senoidal. Já as cargas não lineares, produzem
correntes não senoidais, ou seja, distorcidas (Figura 1) mesmo quando alimentadas
por uma fonte não distorcida. (LEÃO; SAMPAIO; ANTUNES, 2014). Nesse contexto,
deve-se destacar que determinados tipos de aerogeradores possuem características
não lineares, pois em sua composição possuem equipamentos eletrônicos com tal
características.
19
Figura 1 - Relação não linear de tensão e corrente de uma carga não linear.
Fonte: (DUGAN et al., 2003)
A distorção de tensão no ponto de acoplamento comum (PAC), ponto onde a
central eólica é conectada à rede, depende da impedância do sistema e da corrente
solicitada pela carga, esta distorção é propagada para todos os pontos a jusante. A
qualidade da tensão que deve ser capaz de alimentar cargas sem perturbá-las ou
danificá-las está ligado a todas às características da fonte supridora a montante do
PCC, ou seja, às características do parque eólico. (LEÃO; SAMPAIO; ANTUNES,
2014)
2.2. HAMÔNICOS: INDICADOR DE QUALIDADE DE ENERGIA ELÉTRICA
Formas de ondas senoidais são desejadas no sistema elétrico de potência,
visto que os aparelhos elétricos são projetados para funcionar com essa forma de
onda. Os sinais senoidais de tensão e corrente possuem frequência fixa ao transitar
por componentes passivos (resistores, capacitores e indutores) e sua forma é
invariante em relação a derivação e a integração do sinal. Mas, ondas puramente
senoidais é algo ideal e não é comumente encontrada. (LEÃO; SAMPAIO;
ANTUNES, 2014)
Na prática o que existe são sinais distorcidos, sendo estes uma soma de
senoides. Esta soma é composta pela forma de onda fundamental (onda
predominante do sinal e com menor frequência, 60 Hz no caso do Brasil) e pelas
20
suas ondas múltiplas, conhecidas como harmônicas. Portanto, harmônicas são
sinais senoidais de frequência múltipla da frequência fundamental. (LEÃO;
SAMPAIO; ANTUNES, 2014)
A frequência fundamental, no caso do sistema elétrico brasileiro é 60Hz, tem
ordem 1, a harmônica de segunda ordem é encontrada pela multiplicação da
fundamental por dois (60 x 2 = 120Hz), a de terceira ordem por três (60 x 3 = 180Hz)
e assim por diante. As frequências com valores não múltiplos inteiros da
fundamental são ditas inter-harmônicas (por exemplo 100Hz). Quando se tem uma
inter-harmônica com valor de frequência abaixo da fundamental esta é chamada de
sub-harmônica (por exemplo 30Hz). (LEÃO; SAMPAIO; ANTUNES, 2014). A tabela
1 resume as componentes espectrais de formas de onda, sendo f1 a onda
fundamental.
Tabela 1 - Componentes espectrais de formas de onda de frequência f.
Harmônica
f = h.f1 , h é um número inteiro maior que zero
Componente CC
f = h.f1 , h=0
Inter-harmônica
f = h.f1 , h é um número não inteiro maior que zero
Sub-harmônica
f = h.f1 , 0 < h <1
Fonte: (LEÃO; SAMPAIO; ANTUNES, 2014)
Como já foi dito, um sinal distorcido é uma soma de senoides, sendo essa
soma chamada de série de Fourier e aplica-se para identificar os harmônicos que
compreende esse sinal distorcido. A série de Fourier, vista na equação (1)
desenvolvida pelo Barão Jean-Baptiste Joseph Fourier (1768 - 1830) pode ser usada
para representar uma função periódica não-senoidal. (BOYLESTAD, 2004)
(1)
𝑓(𝑡) = 𝐴0 + 𝐴1 𝑠𝑒𝑛 𝑤𝑡 + 𝐴2 𝑠𝑒𝑛 2𝑤𝑡 + 𝐴3 𝑠𝑒𝑛 3𝑤𝑡 + ⋯ + 𝐴ℎ 𝑠𝑒𝑛 ℎ𝑤𝑡
+ 𝐵1 cos 𝑤𝑡 + 𝐵2 cos 2𝑤𝑡 + 𝐵3 cos 3𝑤𝑡 + ⋯ + 𝐵ℎ cos ℎ𝑤𝑡
A série de Fourier é composta por 3 partes. A primeira é a componente contínua
A0 que equivale ao valor médio para um ciclo de onda completo. Os termos em
senos, cujo qual cada um tem seu valor de amplitude Ah e cada um tem sua
frequência múltipla da frequência do primeiro termo em seno. E a terceira parte são
os termos em cossenos, onde cada um tem seu valor de amplitude Bh e sua
21
frequência múltipla do primeiro termo em cosseno. O primeiro termo em seno e em
cosseno é a componente fundamental e os outros termos com frequências múltiplas
são as harmônicas de ordem h. (BOYLESTAD, 2004). A figura 2 mostra uma onda
distorcida e suas componentes harmônicas resultadas da série de Fourier.
Figura 2- Onda distorcida decomposta em série de Fourier.
Fonte: (DUGAN et al., 2003)
Sabe-se da literatura que o valor eficaz de qualquer forma de onda é dado por:
1
𝑇
𝐹𝑟𝑚𝑠 = √𝑇 ∫0 𝑓 2 (𝑡)𝑑𝑡
(2)
Se aplicarmos esta equação para a série de Fourier de um sinal de tensão, temse o chamado Valor Eficaz Verdadeiro (ou true rms) de uma onda de tensão
periódica não senoidal, como pode ser visto na equação (4):
𝑣(𝑡) = 𝑉0 + 𝑉1 𝑠𝑒𝑛 𝑤𝑡 + ⋯ + 𝑉ℎ 𝑠𝑒𝑛 ℎ𝑤𝑡 + 𝑉 ′1 cos 𝑤𝑡 + ⋯ + 𝑉 ′ ℎ cos ℎ𝑤𝑡
2
2
′2 +⋯+𝑉 ′2
ℎ
𝑉 +⋯+𝑉ℎ +𝑉1
𝑉𝑟𝑚𝑠 = √𝑉02 + 1
2
(3)
(4)
22
O equivalente é valido para o valor eficaz verdadeiro da corrente. Logo, podese perceber que as componentes harmônicas aumentam o valor eficaz de tensão e
corrente.
A maioria dos instrumentos usados no dia a dia para medição de corrente e
tensão foram projetados para fazer medições de ondas puramente senoidais, cada
vez menos encontradas. Na presença de harmônicos, estas medições podem
apresentar erros consideráveis, então, para se ter uma melhor qualidade quanto a
veracidade das medições, usam-se os instrumentos com técnicas de medição
baseada no valor eficaz verdadeiro. Este tipo de instrumento faz medições com
exatidão do valor rms de ondas senoidais e não senoidais. (LEÃO; SAMPAIO;
ANTUNES, 2014)
Com relação à potência elétrica transferida entre as unidades geradoras e as
cargas, a presença de distorções harmônicas muda o modo de cálculo desta, pois a
potência de distorção é levada em consideração. Essa metodologia de cálculo de
potência constituída por 3 componentes (ativa, reativa e de distorção) foi proposta
por Budeanu, e as potências podem ser calculadas de acordo com as equações
abaixo. (DUGAN et al., 2003)
𝑆 = Vrms Irms = √P 2 + Q2 + 𝐷2
(5)
P = ∑∞
h=0 Vh,rms 𝐼h,rms cos(φh − θh )
(6)
Q = ∑∞
h=0 Vh,rms 𝐼h,rms sen(φh − θh )
(7)
D = ∑∞h1 =0 Vh1 ,rms Ih2 ,rms sen(φℎ1 − θh2 )
(8)
h2 =0
h1 ≠h2
Onde φh representa o ângulo de fase da tensão de ordem harmônica h, θh o ângulo
de fase da corrente de ordem harmônica h, S representa a potência aparente [VA], P
a potência ativa [W], Q a potência reativa [VAr] e D a potência de distorção [VA]. As
potências ativa e reativa têm o mesmo significado dos sistemas sem distorções
harmônicas, já a potência de distorção representa a potência transferida por meio da
23
interação de tensões e correntes de frequências diferentes. (DUGAN et al., 2003). A
figura 3 mostra o diagrama de potências segundo o modelo de Budeanu.
Figura 3 - Diagrama de potências segundo o modelo de Budeanu.
Fonte: (DUGAN et al., 2003)
Um parâmetro elétrico que também muda seu modo de análise frente as
distorções harmônicas é o Fator de Potência, que representa quão eficientemente
uma carga retira potência útil da fonte de alimentação. Em sistemas senoidais o
Fator de Potência é o cosseno do ângulo de defasagem entre tensão e corrente.
Levando em consideração as distorções harmônicas, tem-se o Fator de Potência
Verdadeiro TPF (em inglês True Power Factor). Este deve ser calculado com a
relação de potência ativa e aparente considerando todas as ordens harmônicas, ou
seja, os valores eficazes verdadeiros de tensão e corrente, como mostra a equação
9. (DUGAN et al., 2003)
𝑇𝑃𝐹 =
𝑃
𝑉𝑟𝑚𝑠 𝐼𝑟𝑚𝑠
(9)
Portanto, quanto maior a quantidade de harmônicos, maior é o módulo dos
valores eficazes de corrente e tensão e consequentemente menor é o fator de
potência. Para se ter um valor de FP maior, muitas vezes são adicionados bancos
de capacitores nas linhas com tal finalidade, no entanto estes por sua vez podem
entrar em ressonância devido aos harmônicos e ocasionar sua perda completa.
Com relação a sequência de fase dos harmônicos, em um sistema trifásico,
as correntes harmônicas de sequência positiva produzem um campo girante direto,
as correntes de sequência negativa produzem um campo girante oposto ao original
24
e as de sequência zero (3ª harmônica e suas múltiplas) produzem um campo que
oscila, mas não gira entre os enrolamentos de fase. (LEÃO; SAMPAIO; ANTUNES,
2014). Esses efeitos indesejados causam diminuição da vida útil de equipamentos
elétricos, pois os mesmos podem operar com sobrecargas e aquecimento elevado,
pode também ocorrer falha por fadiga no equipamento devido as rotações contrárias
e dentre outros problemas.
2.3. CÁLCULOS DE DISTORÇÃO HARMÔNICA E VALORES DE REFERÊNCIA.
No Brasil, o regulamento técnico usado para estabelecer os procedimentos
relativos à qualidade da energia elétrica (QEE), para agentes de distribuição, é o
módulo 8- qualidade da energia elétrica- dos Procedimentos de Distribuição de
energia elétrica no Sistema Elétrico Nacional (PRODIST), elaborado pela Agência
Nacional de energia elétrica (ANEEL).
Segundo o Módulo 8 do PRODIST, distorções harmônicas são fenômenos
associados com deformações nas formas de onda das tensões e correntes em
relação à onda senoidal da frequência fundamental.
Os
regulamentos
técnicos
relacionados à
toda
rede
básica
são
os
Procedimentos de Rede, elaborado pelo Operador Nacional do Sistema Elétrico
(ONS). No Submódulo 2.8 dos Procedimentos de Rede – Gerenciamento dos
indicadores de desempenho da rede básica e dos barramentos dos transformadores
de fronteira e de seus componentes (2011) – apresenta-se os indicadores
relacionados à QEE e os valores limites de referência. O objetivo deste submódulo é
conferir responsabilidades e estabelecer princípios e diretrizes para o gerenciamento
de indicadores de QEE.
O parâmetro usado para indicar o conteúdo harmônico de uma onda elétrica é o
Distorção Harmônica Total, que pode ser usado tanto para tensão quanto para
corrente. Esse indicador não se aplica a fenômenos transitórios ou de curta duração
que resultem em injeção de correntes harmônicas. (ONS, 2011)
O indicador de Distorção de Tensão Harmônica Total (DTHT), representa o
distanciamento entre a forma de onda distorcida e a fundamental, quantificando seu
conteúdo harmônico total existente em um determinado barramento da rede básica.
O DTHT pode ser calculado de acordo com a expressão 10.
25
DTHT =
2
√∑ℎ𝑚á𝑥
ℎ=2 𝑉ℎ
𝑉1
[%]
(10)
Onde Vh e V1 são os módulos das componentes harmônicas de ordem h e da
fundamental, respectivamente. O espectro harmônico usado para o cálculo da DTHT
deve compreender uma faixa de frequência que considere desde a segunda
harmônica até a 50ª ordem. (ONS, 2011)
O cálculo da distorção individual de tensão, que demonstra o quanto uma
ordem harmônica contribui na distorção de uma onda, é:
𝑉ℎ
𝐷𝐼𝑇ℎ % =
𝑉1
𝑥 100
(11)
Com relação as medições de distorção harmônica em sistemas elétricos
trifásicos, deve-se realizar através das tensões fase-neutro para configuração estrela
aterrada e fase-fase para as outras configurações. (ANEEL, 2012)
Os valores de referência para as distorções harmônicas totais, de acordo com o
PRODIST está detalhado na tabela 2.
Tabela 2 - Valores de referência globais das distorções harmônicas totais.
Tensão nominal do
Barramento
Vn ≤ 1kV
1 kV < Vn ≤ 13,8 kV
13,8 kV < Vn ≤ 69 kV
69 kV < Vn ≤ 230 kV
Distorção Harmônica Total de Tensão
(DTT) [%]
10
8
6
3
Fonte: (ANEEL, 2012).
Como a distorção harmônica é um fenômeno que ocorre em regime permanente
no sistema, tem seus indicadores apurados por meio de campanhas de medição
realizadas em períodos de 7 dias consecutivos. (ONS, 2011).
Para a avaliação do desempenho da rede básica são definidos limites de
desempenho global (este é relacionado com os equipamentos já em operação, por
exemplo uma central eólica já em funcionamento na rede) inferior e superior e de
desempenho individual (este é relacionado com as novas conexões na rede).
Quando os valores de distorção medidos forem menores ou iguais aos limites
globais inferiores, a condição harmônica é considerada adequada, não precisando
26
fazer nada. Se forem maiores que o limite global inferior e menores ou iguais ao
limite global superior, e se houver reclamações de clientes, soluções devem ser
obtidas. E, se os valores forem superiores aos limites globais superiores, devem-se
aplicar soluções de modo a reduzir os valores das distorções, como a instalação de
um filtro, por exemplo. (LEÃO; SAMPAIO; ANTUNES, 2014)
Segundo o ONS é de responsabilidade do agente de geração manter o
desempenho individual de suas instalações de acordo com o estabelecido no sub
módulo 2.8 do ProRede no que se refere aos indicadores de distorção harmônica de
tensão. Os limites globais inferiores correspondentes aos valores de distorções
harmônicas individuais e totais (DTHTS95%) de ordens de 2 a 50, estão
apresentados na tabela 3. Os limites globais superiores são calculados multiplicando
os valores dos limites inferiores por 4/3. E os limites individuais estão apresentados
na tabela 4.
Tabela 3 - Limites globais inferiores de tensão em porcentagem da tensão
fundamental.
V ≥ 69kV
V < 69kV
ÍMPARES
ORDEM
VALOR(%)
3, 5, 7
5%
PARES
ORDEM
2, 4, 6
9, 11,13
ÍMPARES
VALOR(%)
ORDEM
VALOR(%)
3, 5, 7
2%
2%
3%
9, 11,13
≥8
1%
2%
15 a 25
1%
≥ 27
1%
≥ 27
0,5%
Fonte: ONS, 2011.
ORDEM
VALOR(%)
2, 4, 6
1%
≥8
0,5%
1,5%
15 a 25
DTHTS95% = 6%
PARES
DTHTS95 = 3%
27
Tabela 4 - Limites individuais em porcentagem da tensão fundamental.
13,8 kV ≤ V < 69kV
ÍMPARES
V ≥ 69Kv
PARES
ÍMPARES
PARES
ORDEM VALOR(%) ORDEM VALOR(%) ORDEM VALOR(%) ORDEM VALOR(%)
3 a 25
1,5%
3 a 25
todos
≥ 27
0,6%
0,6%
todos
≥ 27
0,7%
DTHTS95% = 3%
0,3%
0,4%
DTHTS95% = 1,5%
Fonte: ONS, 2011.
2.4. MÉTODO DO LUGAR GEOMÉTRICO
O estudo da distorção harmônica tem como objetivo avaliar os impactos da
conexão de uma nova usina de geração de energia (parque eólico, por exemplo) no
PAC. Tendo em vista que há limitações sobre o assunto, tanto na validade dos
modelos adotados para toda faixa de frequência desejada, tanto na disponibilidade
de dados (dificuldade para modelagem de cargas não lineares, por exemplo) o ONS
recomenda o uso do método do Lugar Geométrico (LG), que consiste na
representação, em um plano complexo (X vs R), das impedâncias harmônicas da
rede elétrica, vistas do PAC. (ONS, 2016).
Para avaliar os impactos causados por harmônicos, deve-se calcular os piores
valores de tensão harmônica no PAC. Para isso, determina-se o equivalente de
Norton (Ih, Zih) referente a rede interna do agente acessante (Parque eólico,
desconectado da rede básica) vistos do PAC, para cada harmônica considerável,
levando em conta as condições operativas diversas desta instalação. (ONS, 2016)
Ao inverter matematicamente uma impedância (Zbh) do LG tem-se a admitância
correspondente (Ybh). O valor da impedância que representa a rede básica no LG
que maximiza o valor da tensão harmônica no PAC, é adquirido por cálculo
geométrico no plano complexo de admitâncias (ONS, 2016). A equação 12 mostra o
cálculo da tensão máxima de ordem h.
𝑉ℎ𝑚𝑎𝑥 =
𝐼ℎ
𝑌ℎ𝑚𝑖𝑛
=
𝐼ℎ
𝑌𝑖ℎ +𝑌𝑏ℎ
(12)
28
Sendo 𝑌ℎ𝑚𝑖𝑛 o módulo da soma vetorial em paralelo da admitância do
equivalente de Norton da rede interna ( 𝑌𝑖ℎ =
1
𝑍𝑖ℎ
) com a admitância da rede básica
(𝑌𝑏ℎ ) mais conveniente que corresponde ao envelope do LG que minimiza 𝑌ℎ𝑚𝑖𝑛 .
Esse menor valor de admitância é encontrado geometricamente como a menor
distância do extremo do vetor -𝑌𝑖ℎ ao LG. (ONS, 2016).
Portanto, para realizar um estudo harmônico deve-se representar a rede interna
do agente acessante por uma única fonte de corrente harmônica e por sua
impedância, ou seja, um equivalente de Norton, e a rede externa deve ser
representada por um Lugar Geométrico que contenha todas as admitâncias,
calculadas para cada ordem harmônica, vistas do PAC. (ONS, 2016). Para a
realização dos cálculos do LG e do equivalente de Norton e para as devidas análises
o ONS indica o uso do software HARMZs. Na figura 4 pode-se ver um esquemático
do modelo.
Figura 4 - Equivalente Norton com o LG da rede básica.
Fonte: (ONS, 2016).
29
A representação do envelope do LG pode ser por círculos, setores anulares,
polígonos, áreas limitadas por retas, dentre outras representações, sendo que o
ONS recomenda o uso do LG do Setor Anular (Figura 5b) e o LG de Polígono de “n”
Lados (Figura 5a). No caso de estudos harmônicos de parques eólicos o LG de
Polígono de “n” Lados é mais fortemente recomendado para representar a rede
básica. (ONS, 2016)
a)
b)
Figura 5 – a) Ilustração do LG Polígono de "n" Lados. b) Ilustração do LG Setor
Anular. Fonte: (ONS, 2016)
Para determinar o LG que simboliza a rede básica, deve-se a priori calcular as
impedâncias harmônicas da rede vista do PAC para cada harmônica, considerando
o parque eólico desconectado da rede básica. Para o cálculo desse conjunto de
impedâncias deve-se considerar todas as contingências possíveis, ou seja,
diferentes cenários presentes e futuros, diferentes níveis de cargas (pesada, média e
leve) e situações de contingências N-1. Esse conjunto de impedâncias irá formar
uma nuvem de pontos no plano complexo formando assim um LG. (ONS, 2016)
Como já foi dito, o LG Polígono de “n” Lados é o de melhor representação
quando se trata de estudos harmônicos para análise de acesso de parques eólicos.
Isto se dá, pois, este LG condiz mais com a realidade, fornecendo valores de
distorção harmônicas de tensão com maior probabilidade de ocorrerem. Isto faz com
que a real necessidade de uso de filtros seja conhecida e que estes filtros sejam
menos robustos, consequentemente, tem-se projetos menos onerosos. (ONS, 2016).
Para se ter uma maior margem de segurança frente a este LG, no cálculo da
30
impedância harmônica que representa a rede básica deve-se levar em conta as
interharmônicas, expressas por ± 0,5h em torno de cada ordem harmônica h sob
análise. (ONS, 2016)
Segundo a nota técnica 009/2016 do ONS, as correntes harmônicas são
determinadas a partir dos valores de correntes harmônicas geradas por cada um dos
equipamentos não lineares presentes na instalação. Estes valores podem ser
adquiridos por simulação ou medição, sendo que o último é o mais recomendável
visto que é mais preciso e seguro se comparado com uma simulação, pois
atualmente ainda não se tem um modelo fiel, confiável e que realmente represente
cada tipo de máquina.
Sabe-se que acontecerá uma revisão da IEC 61400-21 com relação às
propostas de modelagem de um aerogerador, mas enquanto isso não ocorre o ONS
não aceitará as correntes provenientes de um modelo fornecido pelo fabricante e,
portanto, as medições na saída dos aerogeradores deverão ser realizadas e o
estudo realizado com essas correntes medidas. (ONS, 2016)
A fonte de correntes harmônicas equivalente pode ser adquirida pela equação
proposta pela IEC 61000-3-6, demonstrada na equação 13.
𝑎
𝑎
𝐼𝑛,𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = √∑𝑚
𝑖=1 𝐼ℎ,𝑖
(13)
Onde, ‘h’ é a ordem harmônica, ‘m’ é o número total de fontes e ‘a’ o fator de
agregação. O valor do fator de agregação ‘a‘ é definido na tabela 5.
Tabela 5 - Valores do fator de agregação (a).
Fator de agregação (a) Ordem da harmônica
1
h<5
1,4
5 ≤ n ≤ 10
2
h > 10
Fonte: (ONS, 2016)
31
2.5. O PROGRAMA COMPUTACIONAL HARMZs
O programa computacional HarmZs é o indicado pelo ONS e foi desenvolvido
pelo CEPEL afim de realizar estudos do comportamento harmônico e análise modal
de redes elétricas. O programa apresenta uma grande quantidade de recursos de
cálculos sendo de fácil utilização. Uma de suas facilidades é que toda a
apresentação dos códigos de execução e dos cálculos, que podem ser realizados
por meio da interface gráfica, é feita baseada em um sistema exemplo de 6 barras.
Apesar da pequena quantidade de barras, o sistema apresenta todos os
equipamentos de um sistema real de grande porte (barras, linhas de transmissão,
equipamentos, transformadores, cargas etc). (CEPEL, 2016).
Segundo (CEPEL, 2016) a análise harmônica convencional oriunda do
programa HarmZs é composta por:
 Indicação da distribuição de correntes e tensões harmônica;
 Cálculo dos índices de distorção;
 Solução de rede em uma frequência determinada a partir de especificações
de fontes de corrente e/ou tensão;
 Determinação de impedâncias harmônicas vistas a partir de barras préselecionadas;
 Cálculo de impedâncias máximas e mínimas para múltiplos cenários
operativos.
Com relação à análise modal, esta obtém uma gama de informações estruturais
sobre o sistema, informações estas difíceis de serem conseguidas por métodos
convencionais como a simulação no tempo ou resposta em frequência. Estas
informações abrangem os modos de oscilação natural (ressonâncias do sistema), os
equipamentos que mais participam desses modos, as sensibilidades destes modos
em relação a parâmetros do sistema, etc. (CEPEL, 2016)
32
3.
SIMULAÇÕES E RESULTADOS
Neste capítulo é demonstrado a simulação realizada com o intuito de
exemplificar uma parte do estudo de distorção harmônica de tensão no PAC. A
simulação completa deve conter o cálculo das impedâncias da rede externa (rede
básica) e o traçado dos LGs , bem como o cálculo da fonte de corrente harmônica e
a impedância da rede interna vistos do PAC, que tem como função a representação
do parque eólico.
As simulações executadas foram realizadas no Software HarmZs, versão 3.0, do
CEPEL. Estas, são referentes ao cálculo das impedâncias da rede externa levando
em conta diferentes contingências no sistema. Os cálculos dessas contingências
foram realizados pela ferramenta Batch do software. Essa ferramenta calcula
automaticamente a impedância equivalente do sistema para cada ordem harmônica
até a 50ª ordem e para cada contingência diferente. Após o cálculo das impedâncias
foram traçados os lugares geométricos de Setor Anular e Polígono de “n” Lados. Na
figura 6 pode-se ver a interface do programa e a ferramenta Batch.
Figura 6 - Ferramenta Batch no HarmZs.
Fonte: Autora.
33
3.1. REDE BÁSICA DO SISTEMA ELÉTRICO
O software HarmZs permite inserir todos os elementos (geração, linhas,
equipamentos, transformadores, cargas etc.) da rede básica de modo a caracterizala como ela é. Na Figura 7 tem-se um diagrama unifilar da rede utilizada para a
realização deste estudo, sendo esta, uma rede real do sistema elétrico. Os dados
dos elementos desta rede elétrica encontram-se nas Tabelas (6), (7) e (8). Os
valores de cargas não foram utilizados na simulação, pois variam muito com o
tempo, não sendo levados em consideração para a realização do LG.
Figura 7 - Diagrama unifilar da rede básica.
Fonte: REIS, 2015
34
Tabela 6 - Dados das linhas da rede elétrica.
Linha
Z1
Z2
Z3
Z4
Z5
Z6
Z7
Z8
Z9
Resistência (Ω)
17,05
2,51
16,72
9,88
0,06
2,37
2,09
13,05
0,7
Indutância (mH)
152,55
22,43
172,51
60,34
0,36
14,48
18,19
54,52
6,06
Capacitância (µF)
1,14
0,167
1,33
0,48
0,003
0,11
0,14
0,37
0,05
XL (Ω)
57,5100
8,4559
65,0347
22,7476
0,1357
5,4588
6,8575
20,5536
2,2846
Xc (Ω)
2.326,83
15.883,73
1.994,42
5.526,21
884.194,13
24.114,39
18.947,02
7.169,14
53.051,65
Fonte: REIS, 2015.
Tabela 7- Dados dos transformadores da rede elétrica.
Transformador Potência (MVA)
T1
60
T2
60
T3
12
T4
5
T5
12
T6
12
T7
12
T8
12
T9
12
Potência (pu)
0,6
0,6
0,12
0,05
0,12
0,12
0,12
0,12
0,12
TAP (KV/KV)
138/69
138/69
69/13,8
69/13,8
69/13,8
69/13,8
69/13,8
69/13,8
69/13,8
Reatância (pu)
0,259
0,26
0,3865
1,202
0,696
0,696
0,696
0,5128
0,5128
Fonte: REIS, 2015
Tabela 8- Dados dos bancos de capacitores da rede elétrica
Banco de Capacitor
B.C 1
B.C 2
B.C 3
B.C 4
B.C 5
B.C 6
Potência (MVAr)
13,80
1,02
1,02
4,00
5,08
5,05
Potência (pu)
0,138
0,0102
0,0102
0,04
0,0508
0,0505
Fonte: REIS, 2015
3.2. RESULTADOS PARCIAIS
Conhecendo o valor de potência base do programa, 100MVA, e os grupos
base de tensão (138KV, 69KV, 34.5KV e 13.8KV) como pode-se ver no diagrama
35
unifilar da Figura 7, os valores dos elementos elétricos da rede foram transformados
para pu e em seguida entrou-se com estes dados no HarmZs, montando-se assim a
rede, como pode ser visto na Figura 8.
Figura 8- Rede montada no HarmZs.
Fonte: Autora.
Após a montagem da rede no programa, criou-se um arquivo em formato de
bloco de notas contendo todos os dados dos elementos da rede, até a 3ª vizinhança
da barra 3, barra que o parque eólico será conectado, para o cálculo das
impedâncias levando em conta as diferentes contingências possíveis com os
elementos das barras vizinhas a barra de conexão. Essas contingências são um
modo de analisar o sistema em situações degradadas, ou seja, a perda de algum
elemento do sistema por vez (N-1).
Com o uso da ferramenta Batch (Figura 6), calculou-se a impedância do
sistema para cada frequência (até a 50ª) levando em conta cada contingência. Após
a execução e o compilamento dos dados o HarmZs gerou um arquivo com os dados
das impedâncias de frequência fundamental até a 50ª harmônica para cada
contingência.
Em seguida, carregou-se o arquivo no programa como mostra a Figura 9,
escolheu-se o tipo de traçado como admitância, o tipo de curva (setor anular em
36
seguida o polígono), selecionou-se todas as frequências para que todas sejam
plotadas juntas no mesmo LG, marcou-se a opção para considerar também as
interharmônicas, expressas por ± 0,5h, selecionou-se a barra 3 como a de conexão
do parque eólico e mandou-se traçar o LG. Primeiramente, traçou-se o LG de Setor
Anular, em seguida o LG Polígono de “n” Lados e por último traçou-se o LG
Polígono de “n” Lados juntamente ao do Setor Anular, como pode ser visto nas
Figuras 10, 11 e 12, respectivamente.
Figura 9 - Dados para traçado do LG no HarmZs.
37
Fonte: Autora.
Figura 10- LG Setor Anular gerado pelo HarmZs.
Fonte: Autora.
Figura 11- LG Polígono de "n" Lados, gerado pelo HarmZs.
38
Fonte: Autora.
Figura 12- LGs Setor Anular e Polígono de "n" Lados, traçados pelo HarmZs.
Fonte: Autora.
Para a realização do traçado do lugar geométrico de Setor Anular é usado os
valores dos módulos mínimo e máximo das admitâncias, sendo estes os
responsáveis pelo traçado dos raios menor e maior, respectivamente. Usa-se
também os ângulos mínimo e máximo das admitâncias de modo a traçar as duas
retas, formando-se assim o LG. No caso do traçado do LG Polígono de “n” Lados,
este é feito interligando-se os pontos mais externos de modo a fazer um envoltório
com todos os valores de admitâncias dentro dele. Por esse motivo é chamado de “n”
Lados, pois não tem um valor fixo de lados do polígono, variando para cada caso.
Neste caso específico, o polígono tem 27 lados.
Usando-se o software HarmZs, gerou-se também o gráfico de resposta em
frequência do sistema, como pode ser visto na Figura 13. Os picos da curva
representam um valor muito alto de impedância para uma determinada frequência, o
que pode ocasionar ressonância paralela nos elementos da rede, gerando
sobretensões no sistema.
39
Figura 13 - Resposta em frequência do sistema.
Fonte: Autora.
Com o traçado dos LGs terminou-se a simulação desta parte do estudo. Na
continuação do estudo, será realizado o cálculo da fonte de corrente e da
impedância equivalente de Norton, que tem como intuito representar o parque
eólico, sendo isto realizado no TCC2. Para então poder realizar o cálculo da
distorção harmônica de tensão no PAC.
40
4.
CONSIDERAÇÕES FINAIS
Com a realização da simulação da impedância da rede básica sendo
representada por dois lugares geométricos diferentes, pode-se perceber a diferença
entre eles visualmente, observando as figuras 10 e 11.
Os dois métodos de lugares geométricos aqui traçados são os recomendados
pelo ONS na nota técnica 009/2016. Como lá exposto, o método do LG de Polígono
de “n” Lados é o mais recomendado quando se trata de estudos de análise de
conexão de parques eólicos no PAC, pois este é mais realista frente ao outro
método levando em conta que este é traçado envolvendo todos os pontos de
impedância em um espaço menor, se comparado com o LG de Setor Anular, como
pode ser visto na Figura 12.
Por esta razão, o método do LG de Polígono de “n” Lados é menos
conservador, não ocasionando superdimensionamento de filtros com o intuito de
reduzir a distorção harmônica de tensão no PAC, consequentemente menos recurso
financeiro é gasto com esta finalidade.
Apesar das grandes vantagens deste método, tem-se a desvantagem de ser um
método com uma margem de segurança reduzida. Para poder resolver este
problema são levados em conta as interharmônicas adjacentes posteriores e
inferiores, expressas por ± 0,5h. Tendo assim, uma maior segurança frente aos
valores calculados evitando-se possíveis ressonâncias harmônicas, que ocasionam
sobretensão ou sobrecorrente no sistema.
O método de LG alternativo recomendado pelo ONS, apesar de ser menos
vantajoso financeiramente é mais otimizado e promove uma maior segurança com
relação aos pontos de impedâncias harmônicas calculados.
Após o cálculo da impedância e o traçado do lugar geométrico que representa a
rede básica, deve-se calcular a fonte de corrente harmônica oriunda de todas as
cargas não lineares do parque eólico e sua respectiva impedância, para assim poder
calcular o valor de distorção harmônica de tensão máxima no PAC e comparar com
os valores fornecidos pelo ONS no submódulo 2.8 dos Procedimentos de Rede,
então verificando um possível meio de mitigar esta distorção caso necessário.
Essa parte de cálculo para realização do estudo completo de acesso de um
parque eólico no SIN será realizado no TCC2, juntamente com outros cálculos e
análises pertinentes ao assunto.
41
PRÓXIMOS PASSOS:
 Escolher um aerogerador;
 Identificar os componentes eletrônicos do aerogerador que geram correntes
harmônicas;
 Calcular a fonte de corrente harmônica e a impedância do parque eólico
(equivalente de Norton), utilizando o software HarmZs;
 Calcular a distorção máxima de tensão no PAC, utilizando o software HarmZs;
 Conclusão do trabalho.
42
REFERÊNCIAL TEÓRICO
AGÊNCIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA - ANEEL. Procedimentos de
Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional- PRODIST: Módulo 8 qualidade da energia elétrica. [S.l.], 2016.
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE ENERGIA EÓLICA – ABEEÓLICA. Boletim de
dados.
Agosto,
2016.
Disponível
em:
<http://www.portalabeeolica.org.br/index.php/dados.html > . Acesso em: 23/11/2016
BOYLESTAD, R. L. Introdução à análise de circuitos. São Paulo: Pearson, 2004.
10ed.
CENTRO DE PESQUISA DE ENERGIA ELÉTRICA – CEPEL. Minuta do manual de
utilização do programa HarmZs. 3ed. [S.l.], 2016.
CENTRO DE PESQUISA DE ENERGIA ELÉTRICA – CEPEL. Folder HarmZs. [S.l.].
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