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Procedimentos para Estudo de Coordenação das Proteções ... · PDF file2 CÁLCULO DAS CORRENTES DE CURTO-CIRCUITO EM CENTRAIS DE GERAÇÃO EÓLICA Para cálculo das correntes de

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  • Procedimentos para Estudo de Coordenao das Protees Eltricas

    em Centrais de Gerao Elica

    Gustavo Secco 1, Eduardo Senger 2

    1 Coordenador de engenharia / Casa dos Ventos

    2 Escola Politcnica da USP

    So Paulo, Brasil

    [email protected], [email protected]

    ARTIGO

    Com a busca pela sustentabilidade no abastecimento de energia eltrica, a fonte elica

    tem ganhado grande destaque na matriz energtica global por possuir modelo de negcio

    consolidado, e por contar com aerogeradores modernos, naceles instalados em alturas cada vez

    maiores, geradores eltricos mais potentes e sistemas de controle sofisticados.

    No Brasil, a energia elica vem sendo a grande vencedora dos leiles de energia,

    aumentando de forma significativa seu portflio, viabilizando assim, a construo de grandes

    complexos que devido elevada potncia instalada, realiza seu acesso ao Sistema Interligado

    Nacional (SIN) em nveis de tenso cada vez maiores, ou seja, em pontos mais sensveis do

    sistema de transmisso.

    Motivado por esse crescimento e pela representatividade dos novos parques em pontos

    vitais do SIN, o objetivo deste artigo avaliar as diferentes metodologias e conceitos adotados

    como premissa no projeto do sistema de proteo aplicado a uma Central de Gerao Elica

    (CGE). Para tanto, apresenta alm de uma detalhada discusso sobre os diagramas de

    sequncia utilizados no clculo das correntes de curto-circuito, uma metodologia completa de

    definio dos ajustes de proteo para atender s especificidades construtivas dessas

    instalaes.

    Palavras-chave: Energia elica. Sistema de proteo. Seletividade. Coordenao.

    Modelagem de aerogeradores.

    mailto:[email protected]

  • 1 INTRODUO

    A dependncia da humanidade em consumir energia eltrica vai alm da comodidade usual

    proporcionada pela converso desta energia em luz, calor ou movimento. A energia eltrica

    um bem pblico (lei 9.427, de 26 de dezembro de 1926) e sua disponibilidade est diretamente

    relacionada ao desenvolvimento socioeconmico de uma determinada regio.

    A busca contnua pela diversificao da matriz energtica, associada incluso de fontes

    renovveis e confiabilidade da operao do Sistema Interligado Nacional (SIN), trazem

    grandes desafios que exigem dinamismo dos conceitos e metodologias aplicados no

    desenvolvimento dos sistemas de proteo e controle, que o principal responsvel pela

    continuidade do abastecimento de energia eltrica durante as situaes de falta.

    Os impactos do aumento da energia gerada por potencial elico na operao do SIN so

    preocupantes e tm chamado a ateno do Operador Nacional do Sistema (ONS) devido

    sazonalidade dos ventos e demais aspectos relacionados estabilidade, confiabilidade e

    operacionalidade de seu sistema frente a este forte crescimento.

    Por outro lado, o rpido avano tecnolgico dos aerogeradores, a recente introduo deste tipo

    de fonte na matriz energtica, a competncia tcnica majoritariamente estrangeira, e

    principalmente, o segredo industrial com o qual tratado o sistema de controle dos

    aerogeradores, resultaram na inexistncia de modelos que fossem amplamente utilizados e

    aplicveis para clculo das correntes de curto-circuito em regime permanente, necessrias ao

    estudo de coordenao das protees eltricas.

    A tradicional aplicao do modelo de fonte de tenso ideal ligada a uma reatncia, para clculo

    das contribuies em regime permanente dos geradores de induo duplamente alimentados

    (DFIG), por exemplo, remeter ao equvoco de considerar parcela de contribuio entre duas a

    trs vezes maior do que aquela que ser realmente fornecida, e, conforme magnitude da

    contribuio do SIN no ponto da falta, poder resultar em amplitude insuficiente para atuao

    coordenada das protees eltricas.

    Com essa motivao, foi desenvolvido e ser apresentado nesse artigo um procedimento

    completo para estudo de coordenao das protees eltricas utilizadas nas CGE.

  • 2 CLCULO DAS CORRENTES DE CURTO-CIRCUITO EM CENTRAIS DE GERAO

    ELICA

    Para clculo das correntes de curto-circuito simtricas e assimtricas em diferentes pontos da

    rede eltrica que compem uma CGE, dever ser aplicado o mtodo de componentes simtricos

    baseado na modelagem de cada componente da CGE atravs dos diagramas sequenciais. A

    soluo desse modelo fornece, para os diferentes tipos de falta e de aerogeradores, a

    contribuio de cada aerogerador para a corrente de curto-circuito no ponto sob anlise.

    Nas centrais de gerao trmica ou hidreltrica, por exemplo, onde so majoritariamente

    utilizados geradores sncronos, o clculo de sua contribuio ser realizado atravs da

    representao de diagramas sequenciais constitudos por uma fonte de tenso ideal em srie

    com suas respectivas reatncias subtransitrias (Xd), transitrias (Xd) e de regime permanente

    (Xd). J para os aerogeradores, no existem modelos baseados em diagramas sequenciais que

    sejam amplamente aceitos e conhecidos pelos profissionais do setor, conforme comentado no

    item 1 deste artigo.

    A utilizao de modelos simplificados como medida paliativa, poder prejudicar a qualidade do

    estudo de coordenao da proteo, e de fato, no so incomuns os relatos de atuao no

    seletiva das protees instaladas em CGE na fase de operao. Por esse motivo, empresas de

    consultoria, engenheiros de proteo, e pesquisadores nacionais e internacionais, tem buscado

    uma modelagem mais precisa que represente fielmente o comportamento dos diferentes tipos de

    aerogeradores durante a ocorrncia de curtos-circuitos na rede eltrica da planta elica.

    Um detalhado levantamento bibliogrfico realizado na literatura internacional, concluiu que a

    tese de doutorado apresentada por Justin Dustin Howard em dezembro de 2013 ao Georgia

    Institute of Technology, intitulada por Short-circuit Currents in Wind-Turbine Generator

    Networks [1], apresenta a melhor abordagem para modelagem de aerogeradores visando o

    clculo das correntes de curto-circuito.

    Esse trabalho prope novos diagramas sequenciais que representam, com a necessria

    simplicidade e adequada preciso, o comportamento individual, tanto em regime permanente

    quanto transitrio, de todos os tipos de aerogeradores, considerando as diferentes

    possibilidades de atuao dos dispositivos internos de proteo, alm de validar os modelos e

  • Gerador de induo

    com rotor em gaiola Caixa de

    engrenagens Soft-starter

    Capacitores de 1 estgio

    Capacitores

    de 2 estgio

    Energia auxiliar Sistema de alinhamento (Yam system)

    Transformador elevador

    Disjuntor terminal

    Controle de ps (Pitch system)

    conceitos tericos apresentados atravs de ensaios realizados em laboratrio. Por essas razes,

    a modelagem dos aerogeradores utilizada neste artigo sero baseadas na referncia [1].

    2.1 Representao de diagramas sequenciais para as diferentes topologias de

    aerogeradores

    Com o desenvolvimento tecnolgico, os aerogeradores ganharam mdulos de controle que

    permitiram desacoplar a frequncia de rotao do gerador da frequncia da rede. Isto

    alcanado atravs da converso total ou parcial da potncia gerada utilizando conversores

    eletrnicos ligados ao rotor e ao estator do gerador eltrico. Nesse aspecto, conforme a soluo

    tecnolgica adotada, os atuais aerogeradores podem ser agrupados em quatro topologias:

    Tipo I: construdo com geradores de induo com rotor em gaiola (SCIG), opera em velocidade

    fixa com controle stol e caixa de engrenagens, utiliza a frequncia da rede como referncia,

    fazendo com que a mquina opere atravs do acoplamento mecnico com um multiplicador de

    velocidades. Isto permite que a velocidade de rotao das ps esteja entre 20 a 150 rpm,

    enquanto o rotor do gerador gira entre 1200 a 1800 rpm. Normalmente, a velocidade do rotor

    ligeiramente superior velocidade sncrona, resultando em um escorregamento (s) negativo

    para a turbina elica operar em modo de gerao de energia. Os diagramas sequenciais para

    este tipo de aerogerador so mostrados na figura 1.

    Diagrama de blocos Diagrama sequencial transitrio

    Diagrama sequencial permanente

    Figura 1 - Diagramas de bloco e sequencial em regime transitrio e permanente [1] do

    aerogerador tipo I (Squirel Cage Induction Generator - SCIG)

  • O valor da reatncia transitria do estator (Xest) dado por:

    = +

    + (1)

    Onde,

    a reatncia de disperso do rotor a reatncia mtua V a tenso atrs da reatncia transitria, diretamente proporcional ao fluxo concatenado

    com o rotor

    Para clculo do escorregamento, presente nos diagramas de regime permanente, dever ser

    utilizada a equao

    =

    (2)

    Associando-se convenientemente os diagramas sequenciais, para perodo transitrio ou regime

    permanente, conforme o tipo de curto-circuito analisado, possvel calcular os fasores das

    correntes de falta transitria (Itr) ou de regime permanente (Irp). O fasor da corrente transitria no

    instante t0+, ou seja, imediatamente aps a ocorrncia do curto-circuito, apresentar o mesmo

    decaimento exponencial observado para o fluxo concatenado com o rotor. J a componente

    exponencial amortecida, presente na corrente de falta, ir decair conforme constante de tempo

    do estator.

    Dessa forma, a corrente para uma falta genrica, pode ser descrita pela equao

    () = ||.

    . sin(. + ) + . /

    + ||. sin(. + ) (3)

    Onde,

    =

    (4)