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Unidade 2 Análise do sistema elétrico de potência Rafael Schincariol da Silva © 2019 por Editora e Distribuidora Educacional S.A. Todos os direitos reservados. Nenhuma parte desta publicação poderá ser reproduzida ou transmitida de qualquer modo ou por qualquer outro meio, eletrônico ou mecânico, incluindo fotocópia, gravação ou qualquer outro tipo de sistema de armazenamento e transmissão de informação, sem prévia autorização, por escrito, da Editora e Distribuidora Educacional S.A. 2019 Editora e Distribuidora Educacional S.A. Avenida Paris, 675 – Parque Residencial João Piza CEP: 86041-100 — Londrina — PR e-mail: editora.educacional@kroton.com.br Homepage: http://www.kroton.com.br/ Sumário Unidade 2 Análise do sistema elétrico de potência..................................................5 Seção 2.1 Sistema por unidade (PU) .............................................................7 Seção 2.2 Geradores e cargas utilizados em SEP ...................................... 21 Seção 2.3 Introdução ao fluxo de potência ................................................ 34 Unidade 2 Análise do sistema elétrico de potência Convite ao estudo Olá aluno, seja bem-vindo a segunda unidade de Sistemas Elétricos de Potência I. Nessa unidade iniciaremos a análise dos sistemas de potência abordando alguns fundamentos básicos que serão aprofundados posterior- mente na análise de um sistema elétrico por meio do fluxo de carga. Aliás, você saberia dizer qual a importância de se analisar um sistema elétrico, definindo os modelos dos componentes da rede e realizando cálculos para determinar as variáveis do sistema em determinados pontos de operação? Bom, essa análise é de extrema importância. Conforme já vimos, um dos requisitos essenciais do sistema elétrico de potência é a confiabilidade. Isso significa que o sistema elétrico deve ser capaz de atender o consumidor final continuamente, sem interrupções, com a qualidade de energia requerida e com o menor custo possível. Com esse objetivo, as fases da operação de um sistema elétrico são divididas em pré-despacho, despacho e pós-despacho. Na fase de pré-despacho ocorre o planejamento e programação da operação. Na fase de despacho, ocorre a coordenação das diversas fontes centralizadas de forma a atender a demanda programada, visando fechar o balanço de potência. Já na fase de pós-despacho ocorrem os cálculos estatísticos e as contabilizações dos fluxos de energia para verificar se o balanço de energia foi realizado adequadamente. Nesse processo, visa-se garantir que o número de desligamentos de circuitos seja o mínimo possível, prevendo até mesmo planos de contingência para garantir a continuidade de atendimento da demanda e que as tensões de suprimento sejam mantidas dentro de padrões pré-estabelecidos. Somente para se ter uma ideia, durante a operação do sistema interligado nacional é necessário que se atenda ao critério N-1. Isso quer dizer que o sistema deve operar considerando a possibilidade de retirada de um equipa- mento (uma linha, um transformador, etc.), seja para manutenção ou por um evento de contingência simples, sem prejuízo ao atendimento da demanda. Assim, para os estudos realizados nas fases da operação é necessária uma ferramenta denominada fluxo de carga. Essa ferramenta modela todos os componentes do sistema de estudo em um sistema determinado de sistema por unidade, para fins de simplificação de cálculo. Após a modelagem podem ser previstas diversas situações de operação, com as previsões de demanda, de forma a planejar quais dos geradores serão acionados e a quantidade de potência elétrica que deve ser despachada por cada um. Dessa forma, para adquirirmos os conhecimentos necessários para analisar um sistema elétrico de potência, esta unidade se divide em três seções. Na primeira, conheceremos o sistema de valores por unidade e como modelar um sistema elétrico utilizando esse sistema. Na segunda seção, estudaremos os geradores e os tipos de carga utilizados para análise de um sistema elétrico de potência e finalmente na terceira seção faremos uma introdução à análise dos sistemas elétricos abordando os fundamentos do fluxo de carga. Esta unidade é fundamental para que você entenda como realizar uma análise completa do sistema de potência, por isso sugerimos que você se empenhe o máximo possível. Bons estudos! Seção 2.1 / Sistema por unidade (PU) - 7 Sistema por unidade (PU) Diálogo aberto Olá aluno, seja bem-vindo à primeira seção em que daremos início à análise de sistemas elétricos de potência. Nesta seção estudaremos um conceito essencial para realizar o estudo de um sistema elétrico de potência: o sistema de valores por unidade (ou sistema PU). Você já pensou que em um sistema elétrico de potência temos diversos transformadores os quais são responsáveis por elevar e rebaixar a tensão durante todo o caminho que a energia elétrica percorre? Se tivéssemos que considerar os mais variados níveis de tensão nos cálculos que deveriam ser realizados com valores reais, a análise do SEP seria extremamente complexa. No entanto, com o sistema por unidade, as diferentes variáveis são convertidas em um único sistema de unidades. Para contextualizar nosso estudo, vamos imaginar que você trabalha no centro de operação de uma empresa que coordena o despacho de energia desde a geração até a carga. Você precisa fazer um estudo de um sistema elétrico composto por uma unidade geradora na tensão de 10 kV, que se conecta a um transformador elevador e transporta a energia elétrica por uma linha de 100 kV. Posteriormente essa tensão é rebaixada para 20 kV e utilizada por um reator, conforme mostra a Figura 2.1: Seção 2.1 Figura 2.1 | Sistema elétrico alimentando um reator Fonte: elaborada pelo autor. É necessário determinar qual a potência elétrica consumida por esse reator e para isso será utilizado um software de simulação. No entanto, para analisar o sistema é necessário que o sistema equivalente pu seja obtido de forma a simplificar os cálculos. O software de simulação utiliza uma potência de base de 100 MVA e, portanto, os valores em por unidade devem ser inseridos nessa base. Para que você possa prosseguir com a simulação, você deve obter os parâmetros do sistema no modelo de valores por unidade (pu) e fornecidos em forma de um banco de dados. Como você faria para obter um sistema simplificado de modo a tornar os cálculos mais simples? 8 - U2 / Análise do sistema elétrico de potência No decorrer desta seção encontraremos os elementos necessários para poder construir o sistema equivalente em por unidade. Para isso, será neces- sário conhecer os principais conceitos de como determinar os valores de base, como fazer a mudança de base dos valores em pu, fornecido juntamente com os equipamentos, e finalmente utilizaremos o sistema equivalente para calcular a potência no reator. Para cumprir a sua tarefa com êxito, aconselhamos uma dedicação especial a esta seção, realizando as atividades propostas e expandindo os seus conhecimentos na literatura indicada. Bons estudos! Não pode faltar A análise do fluxo de potência é uma atividade importante dentro de sistemas elétricos de potência, a fim de obter as melhores condições opera- tivas, de controle e de supervisão. Seu objetivo principal consiste em deter- minar as magnitudes de tensão e os ângulos de fase na rede, e as distribuições do fluxo de potência nas barras. Para isso, o sistema elétrico precisa ser modelado por meio de um conjunto de equações e/ou inequações que representem algebricamente seus componentes, como linhas de transmissão, transformadores de potência, geradores e cargas. Quando realizamos a análise de sistemas elétricos, a utilização das variáveis “reais” (volts para tensão, amperes para corrente,
