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Capítulo 5 Básico de Fluxo de Potência Fundamentos de Sistemas Elétricos de Potência Referências bibliográficas [1] ELGERD, Olle Ingemar. Introdução à Teoria de Sistemas de Energia Elétrica. Ed. McGraw-Hill do Brasil. São Paulo, 1976. [2] JR, William D. Stevenson. Elementos de Análise de Sistemas de Potência. Ed. McGraw-Hill. São Paulo, 1986. [3] MONTICELLI, Alcir José. Fluxo de Carga em Redes de Energia Elétrica. Ed. Edgard Blucher. São Paulo, 1983. Considerações operacionais sobre os sistemas de potência Objetivo do sistema elétrico: - Fornecer energia para uma determinada região geográfica. Requisitos do sistema elétrico: - Fornecer energia onde for solicitado - Como demanda varia (no tempo), o sistema deve fornecer sempre o valor adequado: jQPS += - Fornecer energia com qualidade: f, |V|, forma de onda e confiabilidade - Mínimo custo (econômico e ambiental) Capacidade de transmissão de linhas Determinação das expressões para as potências ativa e reativa transmitidas pela linha abaixo Capacidade de transmissão de linhas Condições iniciais: 1- As duas tensões de barra Vi e Vj são conhecidas e expressas em valores de fase; 2 – A linha possui uma impedância série Z = R + jX, por fase; 3 – A corrente de linha “I” é a mesma ao longo da linha. Para linhas “longas” isso não é muito exato; 4 – Devido às perdas na linha, as potências transmitidas (Sij e Sji), medidas em cada extremo da linha, não serão iguais. Ambas são consideradas positivas quando se afastam das respectivas barras. Capacidade de transmissão de linhas Uma vez que temos: Z VV I ji − = , obtemos para as potências da linha: ( ) jXR eVVV Z VV VIVjQPS ji VVj jiiji iiijijij − − = − ==+= ∠−∠2 * ** * Sendo o ângulo de potência: ji VV ∠−∠=δ E separando as partes reais e imaginárias: ( )δδ senVVXVVRVR XR P jijiiij +−+ = cos 1 2 22 ( )δδ senVVRVVXVX XR Q jijiiij −−+= cos 1 2 22 Obs: tensões de fase fornecem potências por fase, tensões de linha fornecem potências trifásicas Capacidade de transmissão de linhas Exercício: Considere a linha da figura abaixo. Sua tensão nominal é 345 [kV] (tensão de linha). A linha é relativamente curta, comprimento de 80 [km], com impedância Z = 5 + j40 [Ω] por fase. Consideremos que os módulos das tensões em ambas as barras “A” e “B” possam ser controlados (isso pressupõe que tenhamos, em cada barra, fontes controláveis de potência reativa). Admitamos que as tensões terminais (tensões de linha) sejam: |Va| = 345 [kV] e |Vb| = 360 [kV]. Admitamos também que Va esteja adiantada de 10°em relação a V b, ou seja, δ = +10°. a) Calcule as potências ativa e reativa da linha em cada um dos extremos; b) Calcule as perdas totais da linha Pperdas + jQperdas em valores totais trifásicos; c) Considere um “perfil horizontal de tensão”, |Va| = |Vb| = 345 [kV] e δ = 10°. Calcule novamente as potências da linha e as perdas; d) Mude os níveis de tensão novamente para |Va| = 345 [kV] e |Vb| = 360 [kV], mas com δ = 15°. Determine as potências ativa e reativa da li nha. e) Faça uma análise dos resultados e comente fatos importantes. Capacidade de transmissão de linhas Qual a capacidade estática de transmissão de uma linha? Em outras palavras, qual seu limite de estabilidade estática? Aumentando lentamente a carga, forçamos um aumento lento da energia que está sendo transmitida pela linha. Como simplificação, consideremos a linha sem perdas ativas; em outras palavras, R = 0 Sem perdas ativas na linha, as potências ativas no “terminal de saída” e no “terminal de entrada” deverão ser iguais. Capacidade de transmissão de linhas δsen X VV PP jijiij =−= Se as tensões nas barras forem mantidas constantes: δsenPPij max= onde, constantemax == X VV P ji A única maneira pela qual podemos afetar o valor da potência transmitida é mudando o ângulo de fase δ. Quando um aumento de carga força o crescimento da potência transmitida, isso ocorre por meio de um aumento do ângulo de fase entre Vi e Vj. Capacidade de transmissão de linhas A potência muda de sinal com a mudança de sinal de δ, ou seja, o sentido do fluxo de potência é determinado por qual tensão está adiantada em relação à outra. Quando Pmax é atingida, δ atinge 90º e qualquer incremento fornecido à carga não resultará num aumento da potência transmitida. Quando um incremento de carga força δ para além de 90°, a potência transmitida começa a decrescer. Nesse ponto perde-se o sincronismo entre as barras i e j. Esse é o limite de estabilidade estática Potência da linha em função de δ Capacidade de transmissão de linhas Pmax representa a capacidade de transmissão estática da linha (para tensões constantes nas barras). Pmax possui duas importantes características: 1 – cresce com o quadrado da tensão de transmissão; 2 – é inversamente proporcional à reatância da linha. Essa é uma boa razão para altas tensões de transmissão. Baixas reatâncias em série podem ser obtidas com linhas em paralelo, feixes de condutores, ou inserindo capacitores em série. Potência da linha em função de δ X VV P ji=max Capacidade de transmissão de linhas Exemplo: Calculemos a capacidade de transmissão estática trifásica de duas linhas distintas, ambas com um comprimento de 200 [km]. Caso a) Linha com tensão nominal de 230 [kV], 1 condutor por fase com reatância de 0,5 [Ω/km]; Caso b) Linha com tensão nominal de 765 [kV], 4 condutores por fase com reatância de 0,35 [Ω/km]. [ ]MW X VV P ji 529 2005,0 2302 max = × == [ ]MW X VV P ji 8360 20035,0 7652 max = × == Portanto, nas condições estabelecidas, a linha de 765 [kV] conduz a mesma potência que aproximadamente 16 linhas de 230 [kV] Capacidade de transmissão de linhas O aumento incremental da potência transmitida, ∆Pij ,causado pelo pequeno incremento de ∆δ é uma medida de “firmeza elétrica” da linha de transmissão. O coeficiente de “firmeza” ou coeficiente de sincronismo é definido por: [ ]radMWP d dPP T ijijij /cosmax δδδ =≈∆ ∆ = Se δ aproxima-se de ±90°, o coeficiente aproxima-se de zero. Por essa razão, as linhas raramente funcionam com ângulos de potência superiores a 30°ou a 40° . Potência da linha em função de δ Capacidade de transmissão de linhas Vimos então que para uma linha sem perdas: δsenPPP jiij max=−= X VV P ji=max capacidade de transmissão estática δ = 90º ângulo limite de estabilidade estática E para uma linha com perdas? Ljiperdasij PPPP =−=− ( )δδ senVVXVVRVR XR P jijijji −−+ = cos 1 2 22 Esta potência é máxima quando: 0= ∂ ∂ = ∂ ∂ δδ jiL PP δδδ cos2222 jiji ji VV XR X senVV XR RP + − + = ∂ ∂ Igualando a expressão a zero: 0cos2222 =+ − + δδ XR X sen XR R Capacidade de transmissão de linhas 0cos2222 =+ − + δδ XR X sen XR R δδ cosXsenR = R Xsen =δ δ cos ijZ tgtg δδ = ijZ δδ = Ou seja, o ângulo limite de estabilidade estática de uma linha com perdas é o próprio ângulo da linha Capacidade de transmissão de linhas Exemplo: determinar a capacidade estática de transmissão e o ângulo limite de estabilidade estática de uma linha de transmissão trifásica de 220kV, 60Hz, Z = 10 + j100 [Ω]. °= 3,84 ijZ δ [ ]MWPL 68,433= °= 3,84limδ [ ]MWP 68,433max = Características da carga Individualmente as cargas são altamente aleatórias; concentradas possuem caráter previsível. Cargas concentradas são previstas de algumas maneiras: Ponta x Fora de ponta; Dia útil x Final de semana e feriados; Inverno x Verão; Período úmido x Período sêco. Dependência da carga com tensão e frequência Carga formada porassociação RL: ( ) ( ) ZZ V Z Z Z V Z VV Z VVIVS 2 2 * 2 * * * * === == { } ( ) ( ) 222,Re VLR RVfPSP ω+ === { } ( ) ( ) 222,Im VLR LVfQSQ ω ω + === P e Q crescem com o quadrado da tensão P e Q diminuem com o aumento da frequência Carga composta: também varia com a tensão e frequência, mas a relação funcional não pode ser obtida analiticamente. O balanço da potência ativa e seus efeitos sobre a frequência do sistema A frequência deve ser mantida dentro de limites rigorosos: - a maioria dos motores CA gira com velocidades relacionadas à frequência; - o sistema pode ser melhor controlado se a frequência for mantida dentro de limites estreitos (normalmente ±0,05 [Hz]) Mecanismo carga-frequência (porque a frequência tende a variar?) Condições normais: geradores em sincronismo e PGERADO = PCONSUMIDO + PPERDAS Aumento de carga: momentaneamente (ordem de segundos), as máquinas motrizes (pressão do vapor, volume de água) estarão fornecendo pouca energia mecânica, provocando redução na velocidade dos geradores (inversamente proporcional a sua inércia) → redução na frequência do sistema Redução de carga: momentaneamente (ordem de segundos), as máquinas motrizes (pressão do vapor, volume de água) estarão fornecendo muita energia mecânica, provocando aumento na velocidade dos geradores (inversamente proporcional a sua inércia) → aumento na frequência do sistema O balanço da potência ativa e seus efeitos sobre a frequência do sistema Mecanismo carga-frequência Evidentemente, ao perceber alterações na frequência, o controle de velocidade dos geradores é acionado a cada instante de tempo para ajustar a quantidade de energia produzida à demanda do momento. Esse controle é empregado para corrigir pequenas faltas ou excessos de potência ativa no sistema; o despacho dos geradores é estabelecido inicialmente, considerando a carga prevista, a disponibilidade dos geradores, o melhor uso da água e custo de geração (ONS). O balanço da potência reativa e seus efeitos sobre a tensão do sistema Assim como frequência constante é a melhor garantia de que o balaço de potência ativa está sendo mantido, uma tensão constante de barra garante que o equilíbrio entre potência reativa produzida e consumida está sendo mantido. Considere o sistema de duas barras abaixo: Como não existe gerador na barra 2, a carga P+jQ deve ser alimentada a partir da barra 1 por meio da linha O balanço da potência reativa e seus efeitos sobre a tensão do sistema Hipóteses simplificadoras: 1) |V1| constante (através do controle de campo de G1) e será escolhida como tensão de referência (V1∟0°) 2) A impedância da linha é puramente indutiva (Z=jX), ou seja, a linha não tem perdas ativas (PPERDAS=0) 3) Desprezaremos as perdas reativas na reatância da linha (QPERDAS=0) O balanço da potência reativa e seus efeitos sobre a tensão do sistema IjXVZIVV −=−= 112 * 112 IVSjQPS ==+= Como fizemos R=0 e desprezamos as perdas reativas na LT: Logo: 11 * 1 * 1 0 V jQP V jQP V jQP V SI −= °∠ − = − = ≈ P V XjQ V XVjX V jQPVV 11 1 1 12 −−= − −= O balanço da potência reativa e seus efeitos sobre a tensão do sistema Conclusões: 1) Uma variação da potência ativa P afeta o fasor queda de tensão que é perpendicular a V1. Portanto, não ocorrerá variações apreciáveis no módulo de V2. 2) Uma variação da potência reativa Q afeta o fasor queda de tensão que está em fase com V1. Portanto, a variação no módulo de V2 é essencialmente proporcional a Q. (veja efeito tracejado no diagrama) O balanço da potência reativa e seus efeitos sobre a tensão do sistema Se quisermos manter constante |V2|, devemos fazer com que as demandas variáveis de Q sejam compensadas localmente na barra 2, de modo que elas não necessitem ser transportadas pela linha. Por exemplo: a geração local de Q pode ser conseguida através de capacitores em paralelo. Não há necessidade de controlar os níveis de tensão entre limites estreitos, como no caso da frequência. Mudando a relação de transformação nos transformadores pode-se compensar esse perfil variável da tensão primária (ao longo do dia), e manter a tensão secundária constante, nos níveis do consumidor. O balanço da potência reativa e seus efeitos sobre a tensão do sistema Exemplo: Acrescente um gerador à barra 2 do sistema anterior. Determinar as potências a serem fornecidas pelos geradores a fim de manter um dado perfil de tensão. Na figura abaixo definimos as potências nos diversos pontos do sistema. Hipóteses: 1) |V1| = |V2| = 1,00 [pu] 2) A reatância da linha vale 0,03 [pu]. Resistência desprezada. 3) As cargas nas duas barras são: SD1 = 10,0+j3,0 [pu] e SD2 = 20,0+j10,0 [pu] 4) Da carga ativa total (30 [pu]), só 10,0 [pu] podem ser geradas em G2. O balanço da potência reativa e seus efeitos sobre a tensão do sistema Solução: Como G2 só pode gerar 10,0 [pu] de potência ativa, os outros 10,0 [pu], necessários para suprir a potência ativa demandada na barra 2, deverá vir de G1 pela linha. Como as perdas ativas na linha são nulas, resistência foi desprezada, PG1 = 20,0 [pu]. ( )δδ senVVXVVRVR XR P jijiiij +−+ = cos 1 2 22 ( )δδ senVVRVVXVX XR Q jijiiij −−+= cos 1 2 22 Conforme deduzido anteriormente: O balanço da potência reativa e seus efeitos sobre a tensão do sistema Solução (continuação): δsen X VV PP 212112 =−= ( )δcos1 212112 VVVXQ −= ( )δcos1 212221 VVVXQ −= Fazendo R=0: °=⇒ × = 5,17 03,0 110,10 δδsen Conhecendo a potência ativa da linha e o módulo das tensões: Com V1 como tensão de referência: °−∠= 5,1700,12V Conhecendo δ podemos calcular o fluxo de potência reativa na linha: ( ) [ ]puQ 54,15,17cos1 03,0 1 12 =°−= ( ) [ ]puQ 54,15,17cos103,0 1 21 =°−= O balanço da potência reativa e seus efeitos sobre a tensão do sistema Solução (continuação): Obtemos as potências reativas geradas em ambas as barras somando a carga reativa e o fluxo da linha: [ ]puQG 54,454,10,31 =+= Esses MVAr deverão ser produzidos pelos geradores e/ou por capacitores em paralelo, se quisermos manter o desejado perfil de tensão. [ ]puQG 54,1154,10,102 =+= Conhecemos então o fluxo de potência total da linha. O balanço da potência reativa e seus efeitos sobre a tensão do sistema Solução (continuação): [ ]puQPERDAS 08,354,154,1 =+= Note que as potências reativas saem das barras em ambos os extremos. Isso significa que as perdas reativas na linha valem: O exemplo é na realidade uma amostra de um Estudo de Fluxo de Carga Obs.: Matéria de prova referente a fluxo de carga termina aqui!!!!!!!!!!!! Fluxo de potência Introdução Estudo básico para outros estudos, tais como, Análise de Faltas, Análise de Contingências, Despacho Econômico, Estabilidade, ... Dados do SEP para este estudo: Dados nominais e/ou operacionais dos equipamentos; As cargas que se deseja atender; As capacidades de geração das usinas; Os limites e as restrições operacionais do SEP. Considera que o SEP é trifásico e equilibrado Fluxo de potência Modelagem do SEP Os métodos para resolução computacional do problema de Fluxo de Potência são baseados no equacionamento nodal, ou seja, a partir do Diagrama de Admitâncias ou de Impedâncias. Vetor das Injeções de Corrente nas Barras BUSBUSBUS VYI && ×= Matriz das Admitâncias Nodais Vetor das Tensões nas Barras Fluxo de potência Modelagem do SEP Neste tipo de problema, a modelagem é estática, significando que a rede é representada por um conjunto de equações e inequações algébricas (Regime Permanente). Características Importantes das EquaçõesEstáticas do Fluxo de Carga (EEFC): • As equações são não lineares. → soluções numéricas; • Em geral, na análise de circuitos, as equações relacionam tensões e correntes. As EEFC relacionam tensões e potências, porque nunca estamos explicitamente interessados em correntes (Balanços de Potência Ativa e Reativa); • Nas equações não encontramos explicitamente a variável frequência, mas é lógico que ela aparece nas reatâncias XL e XC . As EEFC supõem regime permanente, isto é, frequência constante. Fluxo de potência Formulação do problema Na formulação mais simples do problema (formulação básica), a cada barra da rede são associadas 4 variáveis (Vk , θk , Pk e Qk), sendo que duas delas entram no problema como dados e as duas outras como incógnitas. Assim, define-se 3 tipos de barras: A barra de Referência (slack ou swing) tem 2 funções: Ser a referência angular do sistema; Fechar o balanço de potência do sistema (perdas). Fluxo de potência Formulação do problema A solução para todo o problema de fluxo de potência pode ser alcançada por partes, ou seja, iterativamente. Resolve-se o conjunto de equações, e depois, testa-se o conjunto de inequações. 1. Algorítmo Básico Solução do sistema de equações algébricas; Métodos Iterativos. 2. Sistema de Inequações Teste da solução encontrada do algorítmo básico. Caso esta não seja satisfatória, mudar condições e refazer Algorítmo Básico. Fluxo de potência Formulação do problema A solução para todo o problema de fluxo de potência pode ser alcançada por partes, ou seja, iterativamente. Resolve-se o conjunto de equações, e depois, testa-se o conjunto de inequações. O álgorítmo básico será solucionado através de Métodos Numéricos (Iterativos), tais como: Método de Gauss-Seidel Método de Newton-Raphson Método Desacoplado Rápido Fluxo de potência Tratamento matricial das redes de transmissão A matriz YBUS pode ser construída por inspeção. Elementos da diagonal Yjj serão iguais à soma das admitâncias diretamente conectadas à barra j. (Admitâncias Próprias das barras).. Elementos fora da diagonal principal Yij serão iguais aos valores das admitâncias líquidas (equivalentes) conectadas entre as barras i e j, com sinal trocado. (Admitâncias de Transferência entre as barras i e j). Matriz YBUS Fluxo de potência Tratamento matricial das redes de transmissão Exemplo: Dado o diagrama de admitâncias abaixo, determinar a matriz YBUS. Matriz YBUS Fluxo de potência Tratamento matricial das redes de transmissão Segundo a metodologia para determinação da YBUS por inspeção: Matriz YBUS
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