04_Principais_Malhas_Controle_2019_1

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Principais Malhas de Controle 
dos Sistemas Elétricos de 
Potência
Ricardo Vasques de Oliveira
2019/1
● Introdução
- Principais Malhas de Controle
● Comportamento da carga e da rede
● Malha de Controle de Tensão 
- Principais componentes
- Características operacionais
- Tipos de sistemas de excitação
● Malha de Controle Primário de Frequência
- Principais componentes
- Características operacionais
-Tipos de sistema de controle primário de frequência
● Malha de Controle Secundário de Frequência 
- Características operacionais
Sumário
• Principais Malhas de Controle
 Principais malhas de controle dos SEPs:
- Controle de Tensão (Sistema de Excitação)
- Controle Primário de Frequência
- Controle Automático de Geração (Controle 
Secundário de Frequência)
- Estabilizador de Sistemas de Potência (PSS)
- A qualidade da energia gerada e a estabilidade dos
SEPs dependem significativamente destas malhas de
controle
Introdução
● Malhas de Controle Típicas dos Geradores: 
Potência
Elétrica
Introdução
Potência
Elétrica
5
• Característica da Tensão nos SEPs
- Comportamento da carga em função da tensão 
Malha de Controle de Tensão
- Modelo ZIP
6
• Característica da Tensão nos SEPs
Comportamento da tensão em função da potência 
transmitida (Curva PV)
Malha de Controle de Tensão
O comportamento da tensão depende dos parâmetros da 
rede elétrica
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Malha de Controle de Tensão
• Sistema de Excitação
- O sistema de excitação é basicamente responsável por 
controlar a tensão terminal da máquina (consequentemente, 
também controla a potência reativa)
 O sistema de excitação é constituído basicamente 
por:
- Transdutores: mede a tensão terminal e corrente do 
gerador e envia o sinal para o regulador
- Regulador Automático de Tensão (AVR, do Inglês): 
Recebe o sinal do transdutor e compara o sinal com o valor 
de referência, produzindo assim o sinal de controle 
necessário para ajustar a tensão ou potência reativa
- Modos de operação: V, Q ou Fator de potência
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• Sistema de Excitação
- Excitatriz: Recebe o sinal de controle do AVR e fornece 
corrente contínua ao circuito de campo da máquina síncrona
- Circuito de Campo do Gerador: Circuito responsável por 
produzir o fluxo magnético para a manutenção da tensão
Tensão de
referência
Fonte de energia
da excitatriz Excitatriz
Regulador
Tensão na barra do geradorPotência
mecânica
Gerador
Transdutor
EFD Vt
Vref
Malha de Controle de Tensão
Para mais detalhes veja:IEEE Standard Definitions for Excitation Systems
for Synchronous Machines (IEEE Std 421.1™-2007)
9
• Sistema de Excitação
- Ilustração Detalhada
Malha de Controle de Tensão
10
• Sistema de Excitação
- Ilustração: Escovas e Anéis coletores (Gerador 333 MW)
Malha de Controle de Tensão
11
• Sistema de Excitação
- A potência das excitatrizes fica usualmente na faixa de 
0,2 a 0,8% da potência nominal do gerador
-Têm potência na ordem de MW para geradores grandes 
(Ex.: Usina Segredo – 1.964 A e 364 Volts - Gerador de ~300 
MW; Corrente máxima durante 10 seg.  2.900 A)
- A tensão de saída das excitatrizes geralmente não 
excede 1000 V
- As excitatrizes podem ser rotativas ou estáticas 
(geradores ou conversores estáticos)
Malha de Controle de Tensão
- Excitatrizes
12
• Sistema de Excitação
 Os sistemas de excitação mais utilizados nos 
sistemas elétricos de potência foram divididos 
em três categorias:
- Sistema de excitação do tipo DC: Utiliza um gerador 
DC com comutador como fonte de corrente
- Sistema de excitação do tipo AC: Utiliza um 
alternador com retificador rotativo ou estático como fonte 
de corrente
- Sistema de excitação do tipo ST (tipo estático): Utiliza 
um transformador com retificador estático como fonte de 
corrente
Malha de Controle de Tensão
13
• Sistema de Excitação
- Sistema do tipo DC
Malha de Controle de Tensão
14
• Sistema de Excitação
- Sistema do tipo DC
Malha de Controle de Tensão
15
• Sistema de Excitação
- Sistema do tipo AC
Malha de Controle de Tensão
16
• Sistema de Excitação
- Sistema do tipo AC (Brushless): Ilustração 1
Malha de Controle de Tensão
17
• Sistema de Excitação
Malha de Controle de Tensão
- Sistema do tipo AC (Brushless): Ilustração 2
18
• Sistema de Excitação
- Sistema do tipo AC (Brushless): Circuito elétrico
Malha de Controle de Tensão
19
• Sistema de Excitação
- Sistema do tipo ST
Malha de Controle de Tensão
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• Sistema de Excitação
- Os sistemas de excitação do tipo AC e ST são os mais 
utilizados nas unidades geradoras construídas atualmente
- Os sistemas de excitação do tipo DC estão sendo 
substituídos, em geral, por sistemas do tipo ST
- Proteção da Excitatriz Contra Corrente Reversa
Malha de Controle de Tensão
- Excitatrizes do tipo AC e ST não podem ser submetidas 
à tensões de campo negativa devido ao retificador 
- Para evitar danos ao retificador algumas máquinas 
utilizam “crowbar” (Proteção contra sobre tensão) ou 
varistor em paralelo no circuito de campo
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Controle Carga-Frequência
• Controle Primário de Frequência
- O controle primário de frequência tem a função 
principal de corrigir o desbalanço de potência do 
SISTEMA e manter a velocidade do gerador próxima 
da velocidade síncrona
- O controle primário de frequência estabiliza a 
frequência do sistema em um valor diferente do valor 
da frequência nominal (ou seja, a ação do controle primário de 
velocidade deixa um erro de regime permanente na frequência) 
- Esse desvio de frequência (ou erro de frequência) é 
corrigido pelo controle secundário de frequência, 
também conhecido como Controle Automático de 
Geração (CAG)
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Controle Carga-Frequência
• Controle Primário de Frequência
- Ação do Controle 
Primário
- Ação do Controle 
Secundário
23
Controle Carga-Frequência
• Resposta da Frequência Após Variação de Carga
24
Controle Carga-Frequência
• Resposta da Frequência
25
• Controle Primário de Frequência
 Arranjo básico
Controle Carga-Frequência
- O arranjo do sistema de controle de frequência depende 
do tipo da energia primária utilizada na unidade de 
geração (água, vapor, etc.) 
26
 Sistema Hidráulico: Turbinas Francis
Controle Carga-Frequência
• Controle Primário de Frequência
27
 Sistema Hidráulico: 
Turbina Francis
Controle Carga-Frequência
• Controle Primário de Frequência
28
 Sistema térmico (Vapor): Arranjo básico
Controle Carga-Frequência
• Controle Primário de Frequência
29
 Sistema térmico (Vapor): Boiler
Controle Carga-Frequência
• Controle Primário de Frequência
30
 Sistema térmico (Gás): Arranjo básico
Controle Carga-Frequência
• Controle Primário de Frequência
31
 Sistema térmico (Gás): Arranjo básico
Controle Carga-Frequência
• Controle Primário de Frequência
32
 Sistema térmico (Ciclo-Combinado): Arranjo 
básico
Controle Carga-Frequência
• Controle Primário de Frequência
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 Regulador Isócrono
- De acordo com a forma de operação da unidade 
geradora, os reguladores podem ser classificados como 
isócronos ou com queda de velocidade
- O regulador isócrono ajusta a válvula da turbina para 
trazer a frequência exatamente para o valor nominal 
ou programado 
- O valor medido da velocidade do rotor é comparado 
com uma velocidade de referência
- O sinal de erro é amplificado e integrado, para 
produzir um sinal de controle que aciona a válvula
Controle Carga-Frequência
• Controle Primário de Frequência
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 Regulador Isócrono
- Esse tipo de controle 
é usado apenas em 
unidades que operam 
isoladas do sistema 
interligado
- O regulador isócrono 
não pode ser utilizado 
para duas ou mais 
unidades em paralelo 
Controle Carga-Frequência
• Controle Primário de Frequência
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 Regulador com Característica de Queda de 
Velocidade (usado no sistema interligado)
- O objetivo do regulador com característica de queda de 
velocidade é dividir a carga do sistema entre as 
várias unidades geradoras do sistema interligado
- Essaestratégia de controle adota um controlador 
“integral” com realimentação
- O controle com característica de queda de velocidade 
estabiliza a frequência do sistema em um valor diferente 
do valor nominal da frequência
Controle Carga-Frequência
• Controle Primário de Frequência
 Regulador com Característica de Queda de 
Velocidade
- O controle secundário de frequência é responsável por 
corrigir o erro de frequência deixado pelo controle primário
Controle Carga-Frequência
• Controle Primário de Frequência
Controlador em regime 
permanente
 Interpretação do Estatismo (Regulação de velocidade)
- O estatismo (ganho estático do regulador: 
K=1/estatismo) basicamente determina o quanto de 
potência ativa cada máquina irá gerar para equilibrar o 
desbalanço entre a potência mecânica e a carga
- Também determina o valor final da frequência do 
sistema
- Quanto menor o estatismo, menor será o desvio de 
frequência em condições de regime permanente
Controle Carga-Frequência
• Controle Primário de Frequência
38
- Tipicamente, o estatismo utilizado é de 5%, o que 
significa que uma variação de 5% na frequência causa 
uma variação de 0 a 100% na posição das comportas 
ou válvulas (potência de saída)
- Valores muito baixos de estatismo podem gerar 
uma resposta oscilatória ou até mesmo instabilizar
o sistema
 Interpretação do Estatismo (Regulação de velocidade)
Controle Carga-Frequência
- Valores elevados de estatismo faz com que a 
unidade geradora não contribua de forma efetiva 
na regulação da frequência do sistema
• Controle Primário de Frequência
39
• Controle Primário de Frequência
- Ilustração
 Interpretação do Estatismo (Regulação de velocidade)
Controle Carga-Frequência
- De forma alternativa:
40
- Divisão de carga entre as unidades geradoras
 Interpretação do Estatismo (Regulação de velocidade)
- As unidades com menor estatismo assumem 
maior potência
Controle Carga-Frequência
• Controle Primário de Frequência
41
• Controle Primário de Frequência
 Ação colaborativa dos controladores do tipo droop
- Para uma variação de 
carga tem-se
Controle Carga-Frequência
1 1_ 0 1G G GP P P  
_ 0C C CP P P 
2 2_ 0 2G G GP P P 
1 2C G GP P P   
CP
Variação da potência gerada 
1 1
1
1
G ss ssP K
R
     
2 2
2
1
G ss ssP K
R
     
1 2 1 2C G G ss ssP P P K K        
Portanto
1 2 1 2G GK K P P    
1 2 1 2G GK n K P n P     
Contribuição de cada gerador
42
- A relação carga-velocidade é controlada por meio da 
referência de carga do controle primário de velocidade
 Interpretação do Estatismo (Regulação de velocidade)
Controle Carga-Frequência
• Controle Primário de Frequência
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• Efeito das Cargas Dependentes da Frequência
- A variação da frequência reduz a variação efetiva de carga 
 Em geral a potência ativa da carga varia com a frequência
Controle Carga-Frequência
DP D f  
D --> Coeficiente 
de amortecimento 
da carga
D [% var. carga / % var. frequência]
D [1,5% / 1%] = 1,5 p.u.
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• Efeito das Cargas Dependentes da Frequência
- O erro de frequência em regime permanente de um
sistema multi-máquinas depende do valor do estatismo
equivalente (Req)
 Estatismo Equivalente
Controle Carga-Frequência
• Pot. Nominal => Pn = 60.000 MW
• Carga do Sistema => PL = 50.000 MW
• D= 1,5 p.u.
• PL = + 3.000 MW (PL = 0,05 p.u.)
Sistema sem a atuação do controle primário ( R∞  Kp  0)
 Regulador 
Bloqueado:
R
D
P
f L
1
)(



Cálculo do desvio de frequência
D
P
f L

 )(
 Cálculo em p.u.
..03333,0
5,1
05,0
)( up
D
P
f L 




Hzf 2)( 
 Cálculo em MW e Hz
Hz
D
P
f L 2
500.1
000.3
)( 


HzMWD /500.1
60
000.60
5,1 
Hzf 58260)( 
• Cálculo do Desvio de Frequência
 Dados:
Controle Carga-Frequência
46
Sistema com a atuação do controle primário ( R = 5%)
• Pot. Nominal => Pn = 60.000 MW
• Carga do Sistema => PL = 50.000 MW
• D= 1,5 p.u.
• R = 0,05 p.u.
• PL = + 3.000 MW (PL = 0,05 p.u.)
Hzf 861,59139,060)( 
R
D
P
f L
1
)(



Cálculo do desvio de frequência
 Cálculo em p.u.
05,0
1
5,1
05,0
)(

f
..0023255,0)( upf 
Hzf 139,0)( 
Controle Carga-Frequência
 Dados:
• Cálculo do Desvio de Frequência
47
• Controle Secundário de Frequência
- O controle secundário de frequência ou controle 
automático de geração (CAG ou AGC, do Inglês) tem a 
função de restabelecer a frequência do sistema para o 
valor nominal
- Apenas algumas máquinas participam do CAG
(geralmente grandes unidades geradoras)
- O sinal de controle para o CAG vem dos centros de 
operação do sistema (ou seja, é um controle 
centralizado e remoto)
- O CAG é implementado por meio de um controle 
integral adicionado na referência de carga das 
unidades selecionadas
Controle Carga-Frequência
48
• Controle Secundário de Frequência
- Esquema ilustrativo do Controle Automático de Geração
Controle Carga-Frequência
f [Hz ou p.u.]
[rad/s ou p.u.]
49
• Controle Secundário de Frequência
- O controle secundário é muito mais lento que o controle 
primário
Controle Carga-Frequência
- Também é utilizado para controlar o intercambio de 
potência entre duas áreas de controle
- Área de controle: Conjunto de usinas e cargas 
controlados por um centro de operação regional
3
50
• Controle
Secundário de
Frequência
Controle Carga-Frequência
- Controle do 
Intercambio de
potência
- Sinal de Controle 
(area control error)
51
• Controle Primário X Secundário
Controle Carga-Frequência
52
• Unidade Saindo do Controle Secundário
Controle Carga-Frequência