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FUNDAMENTOS DA OPERAÇÃO DE SISTEMAS DE POTÊNCIA TEE-00139 Aula 19 Prof. Vitor Hugo Ferreira Universidade Federal Fluminense Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Elétrica TEE00139 – Aula 19 - 2 Operação em tempo real e planejamento da operação Remotas em SE’s Telemetria (SCADA) Despacho econômico Supervisório: - fluxos - tensões - alarmes - medidas portadoras de erros grosseiros Status de chaves/ disjuntores Configurador de rede Atualização do modelo da rede Estimador de Estado Controle automático de geração Medidas analógicas Fluxo de potência ótimo Seleção de contingências Análise de contingências Fluxo de potência ótimo considerando contingências Sinais para as unidades geradoras Possíveis violações de limites (fluxos, níveis de tensão) Níveis de geração, posição de tap, corte de carga Alarmes Modelo do sistema elétrico Gerações de potência ativa Violações de limites Programação da geração Previsão de carga para curto prazo TEE00139 – Aula 19 - 3 Modelos de turbinas Malha de controle de turbinas hidráulicas (s) motor de variação de velocidade (speed changer) Sinal de atuação da regulação secundária Manutenção da frequência constante Controle Automático da Geração TEE00139 – Aula 19 - 4 Modelos de turbinas Regulador de velocidade de turbinas hidráulicas Desconsiderando a regulação secundária, aplicando um degrau na variação de frequência, pelo teorema do valor inicial Controle Automático da Geração 0 1 11 1 2 1 11 lim lim lim 1 1 2 t w G w t t w G G s st w t sT sTF F F s P s r Ts R s s sT s R s s T s s T F p t s P s s r TR s s s T s s R TEE00139 – Aula 19 - 5 Modelos de turbinas Regulador de velocidade de turbinas hidráulicas Pelo teorema do valor inicial Para os instantes iniciais, a regulação de velocidade de uma máquina hidráulica é r Diante da característica de fase não-mínima da turbina, a relação potência-frequência apresenta inclinação positiva Aumento da frequência aumento da potência gerada Redução da frequência redução da potência gerada Controle Automático da Geração 0 0 2 2 lim 2G G t F R F p t p t F R r r r TEE00139 – Aula 19 - 6 Modelos de turbinas Regulador de velocidade de turbinas hidráulicas Pelo teorema do valor final Em regime permanente, a regulação de velocidade corresponde a R Controle Automático da Geração 0 0 1 11 lim lim lim 1 1 2 1 lim t w G G t s s w t RP G G t sT sT F p t s P s s r sTR s sT R F p t p t F R R TEE00139 – Aula 19 - 7 Área de controle Parte de um sistema de potência onde as unidades geradoras localizadas nesta área respondem às variações de carga contidas nesta parte do sistema As fronteiras de uma área de controle não são definidas de forma rígida Devem ser balanceadas em termos de carga-geração As linhas de interligação entre áreas de controle deverão trabalhar com folgas suficientes para garantir intercâmbios de auxílio (emergência, manutenção, etc.) As unidades geradoras de uma área de controle deverão ser as mais coerentes possível Características de estabilidade semelhantes Controle Automático da Geração TEE00139 – Aula 19 - 8 Área de controle Máquina equivalente Modelo equivalente representando a dinâmica de todas as máquinas incluídas na área de controle Necessidade de coerência entre as máquinas Modos de oscilação semelhantes Características de estabilidade semelhantes Controle Automático da Geração TEE00139 – Aula 19 - 9 Área de controle A variação da frequência em regime permanente de uma área de controle operando isolada é diretamente proporcional à variação da carga e inversamente proporcional a uma característica ( ) inerente à própria área de controle, relacionada com a sensibilidade da carga à variações de frequência (D) e com a energia de regulação equivalente de todas as máquinas desta área (1/R) característica natural da área de controle Rigidez do sistema stiffness Controle Automático da Geração 1 D D RP P P f D R TEE00139 – Aula 19 - 10 Múltiplas áreas de controle em operação interligada Controle por meio da subdivisão em áreas de controle SIN 4 áreas de controle Subsistema Sul (COSR-S) Florianópolis Subsistema Sudeste (COSR-SE) Rio de Janeiro Subsistema Nordeste (COSR-NE) Recife Subsistema Norte-Centro-Oeste (COSR-NCO) Brasília Operação do SIN (CNOS) Brasília Coordenação do controle da frequência e do intercâmbio entre as diversas áreas de controle Controle Automático da Geração TEE00139 – Aula 19 - 11 Múltiplas áreas de controle em operação interligada Controle Automático da Geração TEE00139 – Aula 19 - 12 Múltiplas áreas de controle em operação interligada Sub-áreas A e B com disponibilidade de geração para atendimento da sua carga própria Sub-áreas C e D com parque gerador de menor porte PGA e PGC serão responsáveis pelo controle de PDA e PDC Variações em PDA e PDC serão absorvidas por PGA e PGC PGB e PGD serão responsáveis pelo controle de PDB e PDD Variações em PGB e PGD serão absorvidas por PDB e PDD Controle Automático da Geração TEE00139 – Aula 19 - 13 Múltiplas áreas de controle em operação interligada No caso de áreas de controle isoladas, o desequilíbrio carga- geração era absorvido somente pela variação de energia cinética e pelo amortecimento da carga A interligação entre as áreas faz com que esse desequilíbrio também seja absorvido pela variação do intercâmbio entre as áreas Controle Automático da Geração 0 2 G L C d H d P P E D f f D f dt f dt 1 1 1 1 1 1 12 0 2 G L H d P P f D f T f dt TEE00139 – Aula 19 - 14 Múltiplas áreas de controle em operação interligada Aplicando a transformada de Laplace, Controle Automático da Geração 1 1 1 1 1 1 12 0 1 1 1 1 1 1 12 0 1 1 1 12 1 1 0 1 1 1 1 12 1 0 1 2 2 2 1 2 1 G L G L G L G L H d P P f D f T f dt H P s P s s F s D F s T s f H P s P s T s s D F s f D F s P s P s T s H s f D TEE00139 – Aula 19 - 15 Múltiplas áreas de controle em operação interligada Área de controle 1: Área de controle 2: Controle Automático da Geração 21 12T s T s TEE00139 – Aula 19 - 16 Múltiplas áreas de controle em operação interligada Controle Automático da Geração TEE00139 – Aula 19 - 17 Múltiplas áreas de controle em operação interligada Controle Automático da Geração 2 1 1 2 1 11 12 12 11 12 2 2 1 2 2 22 21 12 22 12 sin 90 sin 90 sin 90 sin 90 ij ij ij i i i ij i j E E E P Z Z E E E P Z Z Z Z E E TEE00139 – Aula 19 - 18 Múltiplas áreas de controle em operação interligada Para pequenas variações de potência injetada, Controle Automático da Geração 1 2 1 12 12 12 12 1 2 2 21 12 21 12 1 2 1 2 12 1 2 12 cos 90 cos 90 cos E E P Z E E P Z E E P P Z TEE00139 – Aula 19 - 19 Múltiplas áreas de controle em operação interligada Para pequenas variações de potência injetada, K12 coeficiente de potência sincronizante entre 1 e 2 A variação da velocidade angular na barra 1 é dada por: Controle Automático da Geração 12 1 2 12 1 2 1 2 12 12 12 cos T P P K E E K Z 0 01 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 2 2 d f f dt d f f dt dt TEE00139 – Aula 19 - 20 Múltiplas áreas de controle em operação interligada Logo, Aplicando a transformada de Laplace, Controle Automático da Geração 12 1 2 12 1 2 12 12 1 2 12 1 22 2 2 T P P K T K f dt f dt K f dt f dt 1212 1 2 2 K T s F s F s s TEE00139 – Aula 19 - 21 Múltiplas áreas de controle em operação interligada Área de controle 1: Controle Automático da Geração 1212 1 2 2 K T s F s F s s TEE00139 – Aula 19 - 22 Múltiplas áreas de controle em operação interligada Controle Automático da Geração TEE00139 – Aula 19 - 23 Múltiplas áreas de controle em operação interligada Controle Automático da Geração TEE00139 – Aula 19 - 24 Múltiplas áreas de controle em operação interligada Da malha de controle reduzida, podem ser obtidas as equações: Para variações súbitas da carga nas áreas 1 e 2, ou seja, variações em degrau de magnitude PD1 e PD2, a substituição desses valores na equação acima e aplicação da transformada inversa permitem o cálculo de f1(t), f2(t) e T12(t) Análise transitória Controle Automático da Geração 1 12 1 1 2 12 1 2 12 1 2 12 1 1 2 D D P s T s F s G s P s T s F s G s K F s F s T s s TEE00139 – Aula 19 - 25 Múltiplas áreas de controle em operação interligada Em regime permanente, a frequência nas duas áreas de controle deve ser igual, logo Ainda, em regime permanente, o desequilíbrio carga-geração é balanceado entre a variação da carga e a variação no intercâmbio, visto que a energia cinética das máquinas se torna constante, Controle Automático da Geração 1 2 RP RP RPf f f 1 1 1 1 1 1 12 0 0 1 1 1 12 0 2 2 2 12 2 G L RP RP RP G L RP RP RP G L H d P P f D f T f dt P P D f T P P D f T TEE00139 – Aula 19 - 26 Múltiplas áreas de controle em operação interligada Das características estáticas dos reguladores de velocidade, Somando as duas expressões: Controle Automático da Geração 0 1 1 1 12 1 1 0 2 2 2 12 2 2 1 1 1 1 RP RP RP RP RP G L RP RP RP RP RP G L P f f P D f T R R P f f P D f T R R 0 0 1 2 1 2 1 2 1 1RP RP RP RP L Lf P f P D f D f R R TEE00139 – Aula 19 - 27 Múltiplas áreas de controle em operação interligada característica natural ou rigidez da área de controle Controle Automático da Geração 0 0 1 2 1 2 1 2 0 0 1 2 1 2 1 2 1 2 0 0 1 2 1 2 1 1 1 1 RP RP RP RP L L RP RP L L RP L L P P D f f D f f R R P P f D D f R R P P f 1 D R TEE00139 – Aula 19 - 28 Exemplo: Três áreas de controle estão interligadas entre si conforme mostrado na figura: As características naturais destas são áreas são, respectivamente, 200 [MW]/0,1[Hz], 330[MW]/0,1[Hz], 90[MW]/0,1[Hz]. Controle Automático da Geração TEE00139 – Aula 19 - 29 Exemplo: Em um determinado instante de tempo, ocorrem simultaneamente acréscimos de carga nas áreas 1 e 3 de 200 [MW] e 100 [MW], respectivamente. Calcule a nova frequência de equilíbrio do sistema Calcule as variações nos intercâmbios entre as áreas de controle Calcule o aumento de geração necessário em cada área, supondo que a variação de carga com a frequência seja desprezível Controle Automático da Geração TEE00139 – Aula 19 - 30 Exemplo: Após os transitórios ocorridos em função da variação de carga nas áreas 1 e 2, o novo ponto de operação em regime permanente pode ser obtido pelas expressões: TLGi RP (s) variação no intercâmbio líquido global da i- ésima área de controle Intercâmbio líquido global intercâmbio entre duas áreas Exportação ou importação total de potência Controle Automático da Geração 0 1 1 1 1 0 2 2 2 2 0 3 3 3 3 RP RP RP G L LG RP RP RP G L LG RP RP RP G L LG P P D f T P P D f T P P D f T TEE00139 – Aula 19 - 31 Exemplo: Logo, Controle Automático da Geração 0 1 1 1 1 0 2 2 2 2 0 3 3 3 3 0 0 0 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 1 1 1 1 1 RP RP RP L LG RP RP RP L LG RP RP RP L LG RP L L L RP RP RP RP LG LG LG f P D f T R f P D f T R f P D f T R f P P P R R R D D D f T T T TEE00139 – Aula 19 - 32 Exemplo: Como no novo ponto de operação o equilíbrio carga-geração foi restabelecido, ou seja, a soma dos intercâmbios líquidos globais é nula, Portanto, s característica natural ou rigidez do sistema interligado Controle Automático da Geração 1 2 3 0 RP RP RP LG LG LGT T T 0 0 01 2 3 1 2 3 1 2 3 3 3 0 0 1 1 3 1 1 1 1 RP L L L Li Li RP i i s i i D D D f P P P R R R P P f TEE00139 – Aula 19 - 33 Exemplo: Para o exemplo, Controle Automático da Geração 1 2 3 3 0 1 0 200 2000 0,1 330 3300 6200 0,1 90 900 0,1 200 0 100 0,0484 6200 0,0484 60 59,9516 s Li RP i s RP MW MW Hz Hz MW MW Hz MW Hz Hz MW MW Hz Hz P f Hz f f f Hz TEE00139 – Aula 19 - 34 Exemplo: As variações nos intercâmbios líquidos globais são obtidas das equações de desequilíbrio carga-geração: Controle Automático da Geração 0 1 1 1 1 0 2 2 2 2 0 3 3 3 3 0 1 1 1 0 2 2 2 0 3 3 3 1 1 1 103,2 159,7 56,5 RP RP RP L LG RP RP RP L LG RP RP RP L LG RP RP LG L RP RP LG L RP RP LG L f P D f T R f P D f T R f P D f T R T f P MW T f P MW T f P MW TEE00139 – Aula 19 - 35 Exemplo: A variação na geração total de cada área de controle é dada por: Controle Automático da Geração 1 1 1 2 2 2 3 3 3 200 103,2 96,8 0 159,7 159,7 100 56,5 43,5 RP RP RP G L LG RP RP RP G L LG RP RP RP G L LG P P T MW P P T MW P P T MW TEE00139 – Aula 19 - 36 Exemplo: Para um aumento de 300 [MW] na carga do sistema interligado (200 [MW] na área 1 e 100 [MW] na área 3), a área de controle com maior característica natural foi aquela que mais elevou a sua geração, apesar de não ter ocorrido aumento de carga na sua área de controle Maior rigidez (stiffness) maior montante depotência alocada Maior energia de regulação equivalente Controle Automático da Geração 1 1 1 2 2 2 3 3 3 200 103,2 96,8 0 159,7 159,7 100 56,5 43,5 RP RP RP G L LG RP RP RP G L LG RP RP RP G L LG P P T MW P P T MW P P T MW TEE00139 – Aula 19 - 37 Exemplo: Maior rigidez (stiffness) maior montante de potência alocada Maior energia de regulação equivalente As áreas com maior parque gerador recebem os maiores montantes de potência Auxílio ao controle carga-frequência de áreas com menor capacidade de geração Vantagem da operação interligada Controle Automático da Geração 1 1 1N i i D D R R TEE00139 – Aula 19 - 38 Exemplificando para duas áreas de controle, Controle Automático da Geração 1 2 1 2 1 1 R R R R TEE00139 – Aula 19 - 39 Exemplificando para duas áreas de controle, Toda variação de carga alocada à área de controle 2 Controle Automático da Geração 2 2 1 0R R TEE00139 – Aula 19 - 40 Exemplificando para duas áreas de controle, Variação de carga atribuída ao regulador de velocidade mais rápido Instabilidade dinâmica disputa entre os reguladores Controle Automático da Geração 1 2 1 2 1 1 0R R R R TEE00139 – Aula 19 - 41 Exemplificando para duas áreas de controle, Toda variação de carga absorvida pela área de controle 1 Unidades que devem manter a potência de saída constante Usinas nucleares Controle Automático da Geração 2 2 1 0R R TEE00139 – Aula 19 - 42 Regulação secundária Regulação primária garante a operação estável das máquinas em um novo valor de frequência, ou seja, fRP 0 Objetivo da regulação secundária Manutenção da frequência constante Atuação para fRP = 0 Erro de frequência nulo Manutenção do intercâmbio programado entre áreas Controle Automático da Geração TEE00139 – Aula 19 - 43 Regulação secundária Regulador com queda de velocidade Controle Automático da Geração TEE00139 – Aula 19 - 44 Regulação secundária Regulador com queda de velocidade e variador de velocidade (speed changer) Controle Automático da Geração TEE00139 – Aula 19 - 45 Regulação secundária Regulador com queda de velocidade e variador de velocidade (speed changer) Controle Automático da Geração TEE00139 – Aula 19 - 46 Regulação secundária Manutenção da frequência constante Atuação para fRP = 0 controle isócrono Controle integral O sinal de atuação cessa, ou seja, (t) = 0, somente se f(t) = 0 Controle Automático da Geração s F s t f t dt s TEE00139 – Aula 19 - 47 Regulação secundária Controle Automático da Geração TEE00139 – Aula 19 - 48 Regulação secundária Controle Automático da Geração Ponto de operação inicial TEE00139 – Aula 19 - 49 Regulação secundária Controle Automático da Geração Ponto de operação após atuação do controle primário TEE00139 – Aula 19 - 50 Regulação secundária Controle Automático da Geração Ponto de operação após atuação do controle secundário TEE00139 – Aula 19 - 51 Regulação secundária Controle Automático da Geração Ponto de operação inicial TEE00139 – Aula 19 - 52 Regulação secundária Controle Automático da Geração Ponto de operação após atuação da regulação primária TEE00139 – Aula 19 - 53 Regulação secundária Controle Automático da Geração Ponto de operação após atuação da regulação secundária TEE00139 – Aula 19 - 54 Regulação secundária em uma área de controle Operação com intercâmbio livre Preocupação exclusiva com a manutenção da frequência do sistema constante Controle Automático da Geração TEE00139 – Aula 19 - 55 Regulação secundária em uma área de controle Controle Automático da Geração 1 1 1n iA iR R TEE00139 – Aula 19 - 56 Regulação primária em uma área de controle Controle Automático da Geração TEE00139 – Aula 19 - 57 Regulação secundária em uma área de controle Controle Automático da Geração 1 1 n i i TEE00139 – Aula 19 - 58 Malha de controle carga-frequência Controle Automático da Geração TEE00139 – Aula 19 - 59 Malha de controle carga-frequência Todas as máquinas com atuação da regulação secundária R constante de regulação equivalente Controle Automático da Geração TEE00139 – Aula 19 - 60 Erro de controle de área (ECA) Objetivos regulação secundária Manutenção da frequência e do intercâmbio programados Controle Automático da Geração TEE00139 – Aula 19 - 61 Erro de controle de área (ECA) Para manutenção da frequência e do intercâmbio programados, é necessário que Para tal, deve ser utilizado um controle do tipo integral que atue sobre esses sinais ou sobre um sinal que seja a combinação destes, B bias Controle Automático da Geração 12 0 0 RP RP f T 12 120 0 RP RP RP RP ECA B f T ECA f T TEE00139 – Aula 19 - 62 Controle Automático da Geração 1(s) 2(s) TEE00139 – Aula 19 - 63 Exemplo: Duas áreas de controle são interligadas, com capacidades instaladas de cerca de 8000 [MW] e 800 [MW], respectivamente. As duas áreas operam com controle de frequência e de intercâmbio. Os ajustes de bias das duas áreas são, respectivamente, iguais a 230 [MW]/0,1[Hz] e 150 [MW]/0,1[Hz]. A programação de intercâmbio para um dado horário prevê um fornecimento de 4000 [MW] da área A para a área B. Contudo, o centro de operação da área B é informado que a importação será de 4100 [MW]. Qual a potência que fluirá efetivamente na interligação, bem como a frequência do sistema? Controle Automático da Geração TEE00139 – Aula 19 - 64 Exemplo: O impacto no erro do cálculo do intercâmbio de importação da área B produzirá impacto similar ao de aumento de carga na área A, visto que era esperada uma importação de 4100 [MW] e a área A está programada para exportar 4000 [MW]. Assim, Controle Automático da Geração 4000 4100 RP RP RP A A A A REAL RP RP RP B B B B REAL ECA B f T B f T ECA B f T B f T TEE00139 – Aula 19 - 65 Exemplo: Após a atuação dos reguladores e obtenção do novo ponto de operação estável, Controle Automático da Geração 0 0 4000 0 4100 0 4000 4100 0 100 100 0,0263 2300 1500 0,0263 60 59,97 A B RP A REAL RP B REAL RP RP A B RP A B RP ECA ECA B f T B f T B f B f f B B f f f Hz TEE00139 – Aula 19 - 66 Exemplo: A potência na interligação é dada por: Controle Automático da Geração 4000 0 4000 4060,5 RP A REAL RP REAL A B f T T B f MW TEE00139 – Aula 19 - 67 Leitura recomendada H. Shayeghi, H.A. Shayanfar, A. Jalili, “Load Frequency Control Strategies - A State of the Art for the Researcher”, Energy Conversion and Management, v.50, n.2, pp. 344-353, Feb. 2009 P. K. Ibraheem, D. P. Kothari, “Recent Philosophies of Automatic Generation Control Strategiesin Power Systems”, IEEE Transactions on Power Systems, v.20, n.1, pp. 346-357, Feb. 2005. Controle Automático da Geração TEE00139 – Aula 19 - 68 Lista de exercícios FILHO, X.V.; “Operação de Sistemas de Potência com Controle Automático de Geração”, 1984. Capítulo 2, Páginas 79-81 Exercícios: 1, 2, 5 e 6 Capítulo 3, Página 141 Exercícios: 2 Relatório sobre Controle Automático da Geração nos Procedimentos de Rede do ONS Entrega do Relatório 26/07/2016 Controle Automático da Geração TEE00139 – Aula 19 - 69 Análise de Segurança de Sistemas de Potência Próximos capítulos TEE00139 – Aula 19 - 70 Dúvidas? Sala 403 – Bloco D Horário de atendimento Segunda e quarta das 16 às 18 horas Após a aula
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