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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)
