- Sendi 2016

XXII Seminário Nacional de Distribuição de Energia Elétri
SENDI 2016 - 07 a 10 de novembro
Curitiba - PR - Brasil
Carolina Cortez do Prado
Daniel Porto
Donorvan Rodrigo
Fagundes
Universidade Federal de Santa
Maria
Aes Sul
Distribuidora
Gaúcha de Energia
Aes Sul Distribuidora
Gaúcha de Energia
[email protected] [email protected] [email protected]
Maicon Jaderson Silveira Ramos
Daniel Pinheiro Bernardon
Aes Sul Distribuidora Gaúcha de
Energia
Universidade Federal de Santa
Maria
[email protected]
[email protected]
Análise do Impacto da Geração Distribuída na Margem De Estabilidade De Tensão
Palavras-chave
ANAREDE
Estabilidade de tensão
Geração Distribuída
Margem de estabilidade de tensão
Sistemas de Elétricos de Potência
Resumo
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A inserção de Geração Distribuída vem se tornando um forte atrativo, não apenas pelas suas vantagens
características, mas também pelos novos incentivos recentemente apresentados pelos órgãos governamentais.
Tal inovação acarreta em mudanças no sistema elétrico, que por sua vez, ainda geram dúvidas quanto à
segurança e correta operação. Dessa forma, tornam-se cada vez mais necessários a análise e estudos do
sistema elétrico de potência frente a essas novas gerações. Entre as diversas questões relacionadas, o estudo
da estabilidade de tensão é de grande interesse, uma vez que se trata de um fator que influencia diretamente na
segurança operacional do sistema. Nesse contexto, esse trabalho busca analisar o impacto que a GD pode
causar na margem de estabilidade de tensão, bem como determinar formas para que a mesma traga benefícios
ao sistema, e sem prejuízos sob o ponto de vista da estabilidade.
1. Introdução
A Geração Distribuída (GD) tem se tornado uma interessante solução para aprimorar o tradicional sistema elétrico,
sendo capaz de oferecer diversos benefícios, tanto no âmbito técnico e econômico, como também para o meio
ambiente. A redução de perdas de energia, pequeno impacto ambiental, diversificação da matriz energética,
descongestionamento dos sistemas de transmissão e distribuição e diminuição de gastos com investimentos estão entre
as principais vantagens da inserção de unidades de GD. Por isso, pode ser considerada uma interessante solução em
termos de sustentabilidade.
As novas tecnologias que vem sendo inseridas ao sistema tradicional, são responsáveis por grandes mudanças no
design tradicional das redes de elétricas. Essas mudanças ainda são motivo para inúmeras discussões e preocupações
quanto ao impacto que a inserção de GD pode causar ao sistema elétrico. Portanto, a análise do sistema, incluindo
unidades de geração distribuída, torna-se um problema emergente, especialmente por possuir uma grande variedade de
tecnologias associadas as GDs, e a singularidade de cada configuração das redes de distribuição.
Entre as inúmeras questões e dúvidas relacionadas aos sistemas de potência com inserção de GD, a análise da
estabilidade do sistema é de grande importância, por ser definida como a capacidade do sistema de manter seus níveis
de tensão em limites aceitáveis, após ser submetido a distúrbios.
A instabilidade de tensão pode ser resultado de um progressivo colapso, grande e rápido aumento ou decrescimento nos
barramentos do sistema, o que é capaz de causar interrupção de carga, perda de linhas de transmissão e até um
colapso total do sistema.
Nesse contexto, esse trabalho busca realizar uma análise do impacto que a GD é capaz de causar na margem de
estabilidade de tensão (MET). Para isso, utilizou-se como caso base o sistema IEEE 14 barras, e por meio do software
Análise de Redes em Regime Permanente – ANAREDE, foram realizadas simulações do fluxo de potência continuado, a
fim de se obter as curvas da relação entre potência recebida (P) e tensão (V), denominadas curvas PV. Através dessas
curvas, é possível conhecer a distância entre o ponto de operação estável e de instabilidade, também conhecida por
Margem de Estabilidade de Tensão (MET), configurando uma ferramenta prática para análise da segurança operacional
do sistema.
Com base nos resultados das simulações, esse trabalho busca avaliar e determinar os locais mais apropriados para a
inserção de unidades de GD e sua influência na MET, de forma que as novas gerações não tragam prejuízos ao
sistema, e ainda garantam a estabilidade de tensão satisfatória.
2. Desenvolvimento
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A estabilidade de tensão é definida como a habilidade do sistema de potência em manter as tensões de regime
permanente aceitáveis em todas as barras do sistema, tanto sob condições normais de operação, como também após
um distúrbio (KUNDUR, 1994).
A instabilidade é capaz de ocorrer em virtude de perturbações na rede, crescimento acelerado de carga de demanda ou
mudanças bruscas nas condições de operação, os quais podem causar um aumento ou decréscimo incontrolável nos
níveis de tensão. As principais razões que influenciam nas condições desse tipo de estabilidade são:
extensas redes de transmissão, que conectam as usinas de geração aos centros consumidores;
linhas de transmissão sobrecarregadas, as quais causam um aumento nas perdas de energia reativa;
falta de coordenação entre os sistemas de controle e de proteção;
influência das características das cargas frente as variações de tensão;
elevação abrupta da carga (MW/min acentuado e anormal);
erros de operação.
Esses fatos (FRANCISCO, 2015) provocam sobrecargas em elementos, ocasionando elevação nas perdas,
principalmente de potência reativa, e consequente redução no perfil das tensões do sistema.
O aumento de cargas também influencia diretamente a diminuição nos níveis de tensão em suas barras. O aumento
contínuo de cargas pode eventualmente levar o sistema a um estado instável caracterizado pelo rápido decréscimo nos
valores de tensão nos barramentos, fenômeno conhecido como colapso de tensão (MALANGE, 2008).
O principal fator responsável pela instabilidade de tensão é a inabilidade do sistema elétrico de manter um apropriado
balanço de potência reativa e de fornecer um suporte adequado de tensão ao longo do sistema (FILHO, 2006).
No intuito de evitar a instabilidade de tensão, a qualidade do serviço para garantir o atendimento a demanda de carga
exige níveis de tensão dentro de limites pré-estabelecidos, e o sistema de potência deve dispor de dispositivos capazes
de oferecer suporte de reativos, em conjunto com métodos de controle de tensão (TAYLOR, 1994).
Entre os compensadores de potência reativa, os capacitores shunt são comumente usados e, apesar de melhorarem o
suporte local de potência reativa, têm o inconveniente de fornecer essa potência como função do quadrado da tensão,
conforme apresenta a equação (1). Portanto, podem não produzir bons resultados em condições de operação com
tensões baixas.
Assim, pode-se afirmar que a o fenômeno de estabilidade de tensão está associada ao fluxo de potência reativa,
comportamento das cargas frente as variações de tensão e a atuação de dispositivos de controle de tensão (TAYLOR,
1994).
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Diante desse contexto, esse trabalho propõe-se a analisar a inserção de geração distribuída não apenas como um
fornecedor de energia elétrica, mas também atuando como um suporte de energia reativa. Ainda, nota-se que que o
acréscimo de unidades de GD ao sistema oferece importantes benefícios capazes de influenciar positivamente nas
questões relacionadas ao problema da instabilidade de tensão: extensas linhas de transmissão tornam-se dispensáveis
e, consequentente, há uma redução nas perdas de energia e atenuação do congestionamento dos sistemas de
transmissão e distribuição.
Para análise da estabilidade de tensão, utiliza-se um importante índice conhecido como Margem de Estabilidade de
Tensão (MET), que por sua vez, é obtido por meio de métodos estáticos, baseados na relação entre a potência recebida
(P) e a tensão (V) em uma determinada barra, expressa por meio de curvas, denominadas curvas PV.
As curvas PV representam a variação da tensão em uma barra em função do aumento de carga considerado no sistema.
A tensão vai apresentando quedas cada vez maiores para uma mesma variação de carga, à medida que essa carga vai
se aproximando de seu valor máximo, ponto esse que representa a máxima potência fornecida (FRANCISCO, 2015).
Esse ponto, também conhecido como ponto de bifurcação ou ponto crítico, corresponde ao limite de estabilidade de
tensão. Isto é, para carregamentos superiores ao ponto de máxima potência, o sistema entra em situação de
instabilidade.
A distância entre um determinado ponto de operação estável e o ponto de máxima potência, ou ponto crítico, é
conhecida por Margem de Estabilidade de Tensão, ou Margem de Carregamento. A figura 1 ilustra um exemplo de curva
PV com destaque para a MET.
Figura 1- Margem de Estabilidade de Tensão
Como pode ser visto na figura 1, o ponto crítico é dado por Vcr (tensão crítica) e Pmáx (potência ou carga máxima). A
margem de estabilidade está em destaque pela linha azul na figura 1, e é estabelecida pela diferença entre o ponto de
operação, Vo e Po, e o ponto crítico. Ou seja, para um ponto de operação particular, a margem de estabilidade de tensão
é a quantia de carga adicional em um padrão específico de aumento de carga que causaria um colapso de tensão
(KUNDUR, 1994).
Para o levantamento das curvas, utiliza-se fluxo de potência continuado, que consiste em cálculos de fluxo de potência,
a partir de um ponto de operação inicial, considerando sucessivos aumentos de carga em uma única barra, área ou em
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todo o sistema.
A proposta do fluxo continuado é de encontrar uma continuidade de soluções do fluxo de potência convencional para
uma dada condição de mudança de carga. O objetivo do método é traçar perfis de tensão das barras, a partir de uma
solução inicial conhecida como caso base, usando um esquema preditor-corretor para encontrar as subsequentes
soluções até o ponto de máximo carregamento (MALANGE, 2008).
A avaliação da estabilidade de tensão vem se tornando essencial nas etapas de planejamento e operação de sistemas
elétricos de potência. O aspecto mais importante dessas análises é a determinação da margem de estabilidade de
tensão e as ações de controle necessárias para se garantir essa margem. As MET devem ser determinadas no
planejamento e durante a operação em tempo real objetivando um melhor aproveitamento dos recursos de geração e de
capacidade de transmissão (MALANGE, 2008).
Para realização das simulações e levantamento das curvas PV, utilizou-se o software ANAREDE, que já possui a
ferramenta de análise “fluxo de potência continuado” e também apresenta as curvas por meio da extensão PlotCepel. O
sistema escolhido foi o de 14 barras proposto pelo IEEE, representado na figura 2. O mesmo é formado por uma barra
de referência V? (barra 1), quatro barras do tipo PV sendo que a barra 2 possui um gerador síncrono, e as outras três (3,
6 e 8) contêm compensadores síncronos. Ao todo, o sistema possui onze cargas que totalizam 259,00 MW e 73,50 Mvar
de demanda.
Figura 2- IEEE 14 barras
Em um primeiro momento, fluxo de potência continuado é aplicado com o sistema em condições normais de operação,
configurando o caso base, e que, posteriormente, servirá como parâmetro para comparações com os casos em que a
GD é incluída ao sistema.
Em seguida, as simulações são realizadas com a adição de GD em cada uma das barras do sistema (exceto barra de
referência), isto é, roda-se o fluxo de potência continuado com a GD inserida na barra 2, em seguida na barra 3, e assim
por diante.
Serão simuladas três situações para cada barra: com GD referente a 1%, 5% e 10% da carga total, o que representa
2,59 MW, 12,95 MW e 25,9 MW, respectivamente.
A figura 3 ilustra o esquema das simulações para melhor entendimento.
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Figura 3- Esquema representativo das simulações
Para uma situação de operação normal, a margem de carregamento apresenta como ponto crítico o valor de 512 MW
para o sistema em questão. O resultado da curva é apresentado na figura 4.
Figura 4- Curva PV para condição normal de operação
Observando-se a figura 4, é possível notar que, para o mesmo ponto crítico de 512 MW, a tensão na barra 2 fica
próxima a 0,89 p.u., enquanto que para a barra 14 o valor fica em torno de 0,68 p.u. Pode-se então afirmar que a MET
da barra 14 pode ser considerada mais crítica em relação a barra 2. Isso significa que, em caso de eventual
contingência, a barra 14 seria mais vulnerável a instabilidade e até entrar em colapso, o que poderia comprometer todo o
sistema. A comparação entre as METs das duas barras é apresentada na figura 5.
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Figura 5- MET das barras 2 e 14
Ao incorporar as unidades de GD ao sistema, nota-se que a tendência é que a MET aumente conforme o valor de
potência instalada. Porém verifica-se a importância de determinar o local mais apropriado para sua inserção, a fim de
que a GD apresente melhores resultados de MET. Tal situação é expressa pela comparação entre as barras 2 e 14, nas
três situações em que a GD é implementada.
Ao integrar a GD ao sistema pela barra 14, a MET aumenta de forma considerável para os três casos em estudo, isto é,
com GD de 1%, 5% e 10% do valor total da carga. Os resultados estão apresentados na figura 6.
Figura 6- MET da barra 14 para os casos simulados
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É importante notar que o carregamento está na ordem de 1x10 . Ou seja, com a inserção de uma GD de apenas 1%, o
carregamento aumenta em 7 MW. A tensão crítica também apresenta valores superiores, em relação ao caso base.
Assim, verifica-se que a GD pode servir para garantia de margens mais seguras do sistema.
No gráfico da figura 7 encontram-se a porcentagem do aumento da MET, em relação ao caso base, para as três
situações simuladas, ilustrando o impacto que a inserção de GD é capaz de causar na margem de carregamento.
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Figura 7- Aumento da MET da barra 14 em relação ao caso base
Observando a mesma situação para a barra 2, nota-se que os valores são consideravelmente inferiores ao caso da
barra 14. Tal situação está ilustrada na figura 8, que apresenta as curvas PV da barra 2 para os casos simulados.
Figura 8- Curvas PV para a barra 2
Ainda que o sistema conte com uma GD de 10% do valor de carga, a margem de estabilidade de tensão aumenta em
apenas 2,93% em relação ao caso base. Para o mesmo caso na barra 14, esse índice aumentou em 11,72%.
O impacto da GD sobre a MET da barra 2 pode ser conferida na figura 9.
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Figura 9- Aumento da MET da barra 2 em relação ao caso base
O impacto da GD na MET para todas as barras do sistema em valores percentuais e em valores referentes ao máximo
carregamento, podem ser conferidos nas figuras 10 e 11, respectivamente.
Figura 10- Aumento das METs em relação ao caso base, em valores percentuais
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Figura 11- Aumento das METs em relação ao caso base
3. Conclusões
A proposta desse trabalho foi realizar uma análise da influência que as inserções de unidades de geração distribuída
podem ter sobre a margem de estabilidade de tensão.
A geração distribuída tem sido tema de diversas pesquisas, em vista das inúmeras incertezas que a cercam e que
podem impactar nos sistemas de energia. A integração dessas novas fontes possivelmente mudará os cenários atuais
de perfil de tensão, qualidade de carga, confiabilidade, estabilidade e proteção dos sistemas. Nesse contexto, torna-se
necessário estudos sobre a integração de geração distribuída as redes de energia tradicionais.
Apesar das incertezas, as tecnologias das GDs são consideradas interessantes soluções para aprimorar o sistema atual.
Seus benefícios, tais como baixo impacto ambiental, menores perdas de energia, descongestionamento de redes e
diversificação da matriz energética, configuram uma boa alternativa para melhorar o atendimento a carga, especialmente
em centros urbanos, onde a demanda de carga tem alcançado elevados níveis, ou até em áreas mais remotas,
dispensando a integração as redes comuns e investimentos com construção de novos sistemas de transmissão.
A estabilidade de tensão possui papel importante para o planejamento seguro de sistemas de energia, considerando que
a instabilidade é capaz de causar interrupções de carga, perda de linhas de transmissão e até ocasionar colapso total no
sistema.
Desse modo, esse trabalho baseou-se em diferentes simulações, visando avaliar como a inserção de unidades de GD
podem influenciar na margem de carregamento e, consequentemente, na estabilidade de tensão.
Num primeiro momento, o sistema IEEE 14 barras foi simulado para condições normais de operação, aplicando-se o
fluxo de carga continuado e assim obtendo as curvas PV. Esse caso serve como base para posterior comparação com
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os casos incluindo GD. Nessas condições já nota-se a diferença entre o comportamento de determinadas barras, com
destaque para as barras 2 e 14. Para o mesmo valor de carregamento, a primeira apresenta valores mais seguros de
tensão, enquanto que a segunda possui um perfil bem mais crítico para a mesma situação.
Ao integrar a GD ao sistema, verifica-se que, conforme aumento da potência inserida, maior a margem de estabilidade
de tensão. Margens maiores garantem sistemas mais seguros e menos propensos a situações de instabilidade.
Porém, é fundamental determinar o local mais conveniente para a adição de novas gerações para que se obtenha
margens mais seguras. Pode-se notar tal situação ao comparar o impacto da GD sobre as barras 2 e 14. Na primeira,
mesmo com a inserção de 25,9 MW, o aumento na MET foi de apenas 2,93%, em relação ao caso base. Ou seja, sob o
ponto de vista da estabilidade de tensão, seria inadequado inserir a GD nessa barra. Por outro lado, ao simular os
mesmos casos, dessa vez com a GD na barra 14, o aumento na MET apresentou valores mais interessantes e que
influenciam favoravelmente na estabilidade de tensão.
Assim, conclui-se que a integração de GD aos sistemas tradicionais pode ser útil não apenas para fornecer energia, mas
também para manter a segurança do sistema frente a distúrbios que possam interferir na estabilidade de tensão.
Os próximos estudos visam analisar os mesmos casos apresentados, porém, frente a situações de contingências,
determinando novamente a necessidade de inserção de GD, o nível de potência e o local apropriado para instalação
dessas novas unidades, no intuito de garantir a estabilidade de tensão e posterior aplicabilidade em sistemas reais.
4. Referências bibliográficas
KUNDUR, Prabha. Power System Stability And Control. Palo Alto: Mc Graw Hill, 1994.
FRANCISCO, Gustabo de Souza. Avaliação de Ferramentas de Análise de Estabilidade de Tensao. Dissertação de
Mestrado. Universidade Federal de Itajubá. Itajubá - MG, Brasil. Outubro de 2015.
MALANGE, Francisco Carlos Vieira. Proposta de Parametrização para o Fluxo de Carga Continuado Visando Redução
de Perdas na Transmissão e Aumento da Margem Estática de Estabilidade de Tensão. Tese de Doutorado.
Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho, Campus de Ilha Solteira. Ilha Solteira - SP. Brasil Novembro de
2008.
FILHO, José Maciel. Aspectos Prátciso e Teóricos na Análise de Estabilidade de Tensão. Dissertação de Mestrado.
Universidade Federal de Itajubá. Itajubá - MG, Brasil. Junho de 2006.
TAYLOR, C. W. Power System Voltage Stability. Mc Graw-Hill, 1994.
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