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Os autores agradecem ao CNPq, CAPES, FINEP, SETI e Fundao
Araucria pelo apoio financeiro.
Estratgia de Controle para a Operao Ilhada de
Sistemas de Distribuio com Gerao Distribuda
Marcio de Andrade Vogt
Depto. de Engenharia e Planejamento do Sistema Eltrico
CELESC Distribuio S.A.
Florianpolis, SC, Brasil
[email protected]
Ricardo Vasques de Oliveira Depto. de Engenharia Eltrica
Universidade Tecnolgica Federal do Paran (UTFPR)
Pato Branco, PR, Brasil
[email protected]
Resumo A ocorrncia de ilhamento assim como a operao ilhada
autnoma de subsistemas uma realidade cada dia mais
presente nos sistemas eltricos de potncia devido insero e a
expanso da gerao distribuda. Nesse contexto, este trabalho
prope uma estratgia de controle de frequncia para sistemas
de distribuio com gerao distribuda conectada barra da
subestao, composta de um esquema de corte de cargas e uma
malha de controle suplementar adicionada a um sistema de
armazenamento de energia baseado em banco de baterias. Esta
estratgia visa contribuir com a manuteno da frequncia da
rede ilhada dentro dos limites operacionais tanto na transio
entre operao conectada e operao ilhada, quanto durante a
operao normal e autnoma do sistema ilhado.
Palavras-Chave Controle de Frequncia, Gerao
Distribuda, Operao Ilhada, Sistemas de Distribuio.
I. INTRODUO
H um crescimento expressivo da gerao de energia a partir de
fontes alternativas renovveis em todo o mundo. No Brasil existem
atualmente (novembro de 2013) 472 pequenas usinas termeltricas
(UTEs) baseadas em biomassa, 462 pequenas centrais hidroeltricas
(PCHs) e 103 usinas elicas (UEs) em operao [1]. Alm das unidades em
operao, existem 32 PCHs, 12 pequenas UTEs baseadas em biomassa e 93
UEs em construo atualmente no pas [1]. Uma parcela significativa
dessas unidades de gerao se enquadra no conceito de gerao
distribuda.
A insero e a expanso da gerao distribuda pode impactar na
confiabilidade, o planejamento e a operao do sistema eltrico de
potncia sob este novo paradigma [2]. A operao ilhada de sistemas de
distribuio e subtransmisso uma das condies operacionais passiveis
de ocorrer em funo da insero de Unidades de Gerao Distribuda
(UGDs). O ilhamento pode ser definido como uma situao operacional
na qual uma poro do sistema eltrico de potncia fica eletricamente
isolada do restante do sistema, e continua sendo energizada por
unidades geradoras a ela conectadas.
Em geral, as UGDs operam no modo PQ (valores predefinidos e
constantes de potncia ativa e reativa gerada)
quando o sistema de distribuio est conectado ao sistema de
transmisso ou subtransmisso, pois as mesmas geralmente no tm
capacidade de regular a tenso e frequncia em sistemas de potncia
com unidades de gerao de grande porte [3]. Entretanto, na operao
ilhada necessrio que as UGDs atuem na regulao da frequncia e tenso,
garantindo que a qualidade da energia fornecida fique dentro de
limites aceitveis e definidos por normas e regulamentos
tcnicos.
O desbalano entre carga e gerao no momento de formao do sistema
ilhado pode impactar de forma significativa na capacidade do
sistema em manter a frequncia da rede dentro de limites aceitveis,
pois a potncia antes fornecida pelo sistema de transmisso ou
subtransmisso passa a ser suprida apenas pelas UGDs. A baixa inrcia
tpica dos geradores sncronos distribudos, que resulta em baixa
energia cintica armazenada no rotor do gerador, pode inviabilizar a
formao do sistema ilhado devido aos possveis desvios elevados no
valor da frequncia do sistema ilhado [4]. O sucesso da operao
ilhada de sistemas de distribuio depende de estratgias operacionais
e de controle adotadas durante a formao da ilha e durante a operao
normal e autnoma do sistema ilhado.
Neste contexto, este trabalho prope o uso de um esquema de corte
de cargas local associado a um sistema de armazenamento de energia
a fim de garantir a manuteno da operao ilhada de um sistema de
distribuio de mdia tenso. O corte de cargas realizado visando
minimizar o desbalano entre carga e gerao nos instantes
subsequentes ao ilhamento. O banco de baterias, associado a uma
malha de controle suplementar de frequncia, utilizado para auxiliar
o sistema de controle de frequncia da UGD a manter a frequncia
dentro de limites aceitveis e minimizar as variaes tpicas de
frequncia do sistema ilhado.
A avaliao e validao da estratgia de controle proposta so feitas
utilizando-se um sistema de distribuio de 13,8 kV com 5
alimentadores e uma unidade termoeltrica de pequeno porte conectada
diretamente barra de mdia tenso da subestao. As avaliaes do sistema
teste com o controle proposto so feitas por meio de simulaes
no-lineares no
-
domnio do tempo, envolvendo dados de carga e a topologia de um
sistema de distribuio real.
O trabalho est estruturado da seguinte forma: Na seo II
apresenta-se uma discusso sobre sistemas de armazenamento de
energia; A seo III apresenta alguns fundamentos sobre unidades
trmicas de gerao; A seo IV apresenta as estratgias de controle
propostas para a manuteno da operao ilhada; Os resultados obtidos e
as concluses so apresentados nas sees V e VI, respectivamente.
II. SISTEMAS DE ARMAZENAMENTO DE ENERGIA E INRCIA VIRTUAL
O uso de unidades de gerao baseadas em fontes energticas
intermitentes, tais como energia solar e elica, tem contribudo de
forma significativa para o desenvolvimento e aplicao de sistemas de
armazenamento de energia (SAEs). O uso de SAEs possui aplicaes no
fornecimento de servios ancilares, fornecimento de energia durante
perodos de pico, black start (fonte auxiliar para partida de um
sistema eltrico aps um blecaute completo), etc.. Alm disso, estes
dispositivos podem reduzir ou postergar a demanda por investimentos
em infraestrutura de gerao, transmisso e distribuio [5],[6].
Em sistemas de distribuio o uso de bancos de baterias aliados a
conversores estticos de potncia (conhecidas como Battery Energy
Storage Systems, BESS) tem aumentado significativamente na ltima
dcada [7], [8], especialmente pela reduo no custo dos conversores e
baterias [9]. Os sistemas de armazenamento de energia baseados em
bancos de baterias podem ser construdos utilizando diversos tipos
de tecnologia de baterias, estando a escolha da opo mais apropriada
atrelada a fatores como energia especfica, taxa de auto descarga,
vida til, profundidade de descarga e relao custo-benefcio de cada
tecnologia [10]. Dentre as vrias tecnologias de baterias
disponveis, as de chumbo-cido so as mais utilizadas em sistemas de
potncia, sobretudo por questes relacionadas maturidade da
tecnologia e custos [11]. Entretanto, a aplicao de baterias de on
de ltio vem ganhando fora principalmente devido reduo dos custos de
produo deste tipo de bateria [9].
Os custos de implantao de um sistema de armazenamento de energia
esto principalmente ligados a potncia mxima (kW ou kVA), e a
energia mxima a ser armazenada (kWh ou kVAh), alm de custos
acessrios como os de infraestrutura de instalao e de manuteno do
sistema [9]. A capacidade de armazenamento de energia de um banco
de baterias definida em AH (Ampre-Hora), dada em uma condio de
descarga especfica, ou seja, considerando uma corrente de descarga
especfica, o banco de baterias capaz de manter o fornecimento de
energia durante o tempo especificado. Frequentemente a corrente de
descarga definida em uma base conhecida como C-Rate. A C-Rate uma
medida da razo na qual a bateria se descarrega em relao a sua
capacidade nominal. Uma C-Rate de 1C (0,5C) significa que a bateria
descarregaria sua capacidade nominal em 1 hora (2 horas) [10].
Devido reduzida inrcia, os geradores sncronos das UGDs operando
em sistemas ilhados em geral requerem estratgias de controle
especiais para permitir o adequado
controle da frequncia do sistema. A injeo de potncia ativa por
meio de BESS pode auxiliar no adequado controle da frequncia de
sistemas ilhados com geradores de baixa inrcia [12]. Nesses casos,
o BESS chamado de inrcia virtual [13] ou gerador sncrono virtual
[4]. Esta analogia entre inrcia virtual pode ser compreendida
analisando-se a equao de swing para uma unidade geradora sncrona,
dada por d/dt=P/2H, de onde possvel perceber que uma reduo no valor
do desbalano de potncia tem um efeito na mesma direo que o aumento
da inrcia da mquina.Neste trabalho, considera-se uma bateria ideal,
modelada por uma fonte de tenso constante com limitao na mxima
potncia fornecida pelo sistema de armazenamento de energia. A
limitao feita com base na potncia nominal considerando a
possibilidade de uma descarga de alta corrente durante poucos
segundos, similar ao que ocorre em baterias de chumbo-cido,
utilizadas na partida de motores a combusto. Como a contribuio da
bateria numa escala de tempo de segundos em geral a bateria no
sofre descargas profundas a ponto de afetar a estratgia,
considerando que a bateria esteja carregada.
III. UGDS BASEADAS EM TURBINAS A VAPOR
As unidades de gerao distribuda podem fazer uso de vrias
tecnologias para aproveitamento da fonte energtica primria,
dependendo das caractersticas geogrficas, ambientais e de mercado
envolvidas. No Brasil, as unidades trmicas de gerao baseadas em
biomassa e as pequenas e micro centrais hidreltricas constituem
grande parte da gerao distribuda. Neste trabalho a UGD conectada ao
sistema de distribuio avaliado corresponde a um gerador sncrono
movido por uma turbina a vapor. Considerando-se o porte da unidade
de gerao adotada (5 MVA), a turbina a vapor modelada como sendo uma
turbina de nico estgio de presso, sem reaquecimento.
As turbinas trmicas a vapor em geral possuem limitaes para
operao com desvios significativos de velocidade em relao velocidade
nominal. Esta limitao est ligada a fatores como a diminuio da
capacidade de refrigerao e especialmente vibraes excessivas do
rotor da turbina [15]. A Tabela 1, compilada a partir de dados
reais obtidos em campo [15], apresenta valores limites de operao
para uma turbina trmica. Como salientado em [15], a operao em
frequncias diferentes da nominal tem efeito cumulativo sobre as
turbinas, o que pode levar a um desgaste em longo prazo da unidade
geradora.
TABELA 1- LIMITES OPERACIONAIS DE TURBINAS TRMICAS DE PEQUENO
PORTE [15].
Frequncia a Plena Carga (Hz) Tempo mximo de operao
fn-1% Continuamente
fn-2% 100 minutos
fn-3% 10 minutos
fn-4% 1 minuto
fn-5% 0,1 minutos
fn-6% 1 segundo
O gerador da UGD adotada nesse trabalho corresponde a um gerador
sncrono com 2 pares de polos e representado pelo modelo de dois
eixos considerando as dinmicas do perodo subtransitrio da mquina. O
sistema de controle de
-
excitao utilizado no gerador um sistema do Tipo 1 do IEEE STD
421.5-1992 [16].
IV. ESTRATGIA DE CONTROLE PROPOSTA
A operao ilhada pode trazer um ganho de confiabilidade s redes
de distribuio, com reduo dos ndices de Durao Equivalente de
interrupo por unidade Consumidora (DEC) e Frequncia Equivalente de
interrupo por unidade Consumidora (FEC) e benefcios financeiros
tangveis para as empresas de distribuio de energia eltrica e
agentes geradores. Neste trabalho prope-se uma estratgia de
controle para permitir uma transio suave da operao interconectada
para a operao ilhada e uma boa manuteno da frequncia durante a
operao ilhada. A estratgia de controle composta por um rel local,
para o corte de cargas, associado a uma malha de controle
suplementar de frequncia adicionada a um sistema de armazenamento
de energia que atua como uma inrcia virtual para o sistema
ilhado.
A ao do esquema de corte de cargas se inicia com a medio das
potncias ativa e reativa de cada um dos alimentadores e da UGD
conectada ao sistema. A partir das informaes de potncia
determinam-se ciclicamente quais alimentadores devem ser desligados
em caso de ilhamento do sistema de distribuio. Essa determinao
baseia-se no corte de cargas que produza o menor desbalano entre a
potncia gerada no instante do ilhamento e a potncia da carga. Os
alimentadores so desligados apenas aps o rel de deteco de ilhamento
identificar a ocorrncia do ilhamento.
Para permitir uma melhor compreenso da estratgia proposta,
considere o sistema de distribuio ilustrado na Figura 2.
Figura 1 - Sistema de distribuio com a estratgia de controle
proposta.
O sistema em questo composto por n alimentadores conectados ao
barramento da subestao por meio de religadores automticos. Nesse
mesmo barramento esto conectados uma unidade de gerao distribuda e
um sistema de armazenamento de baterias que atua como inrcia
virtual.
O esquema de corte de cargas e a malha suplementar de controle
de frequncia do BESS so ilustrados tambm na Figura 1. As linhas
pontilhadas ilustram os sinais medidos e os sinais de controle do
sistema de controle proposto.
O BESS, associado malha de controle suplementar, responsvel por
fornecer uma inrcia virtual ao sistema ilhado. De acordo com o
desvio de velocidade do gerador sncrono da UGD, o sistema de inrcia
virtual absorve ou injeta potncia ativa no sistema de forma a
mitigar as variaes de frequncia do sistema.
A malha de controle suplementar adota um controle do tipo
proporcional para gerar o sinal de controle para o BESS. Alm do
esquema de corte de cargas e do sistema de inrcia virtual, o
controle primrio de frequncia da UGD comutado do modo com queda de
velocidade para o modo iscrono aps a deteco do ilhamento, de forma
a garantir o erro nulo de frequncia em condies de regime
permanente.
V. RESULTADOS E DISCUSSES
O esquema de corte de cargas e malha de controle suplementar de
frequncia propostos foram avaliados e validados por meio de uma
sequncia de testes utilizando-se um sistema de distribuio real, com
tenso igual a 13,8 kV e 5 alimentadores, de uma concessionria
distribuidora de energia. No estudo feito, considerou-se a hiptese
de existncia de uma UGD baseada em turbina a vapor e um BESS
conectados barra de 13,8 kV da subestao de distribuio. Conforme
discutido anteriormente, a eficcia da estratgia de controle
proposta e o comportamento da frequncia do sistema de distribuio
ilhado foram avaliados por meio de simulaes no-lineares no domnio
do tempo. Os modelos tpicos usados para representar o gerador
sncrono, a turbina trmica, as malhas de controle e demais
componentes do sistema foram brevemente descritos nas sees
anteriores.
A anlise desenvolveu-se utilizando uma curva de cargas diria
real de um sistema de distribuio composto por 5 alimentadores. A
potncia ativa mdia para 4 pontos de operao apresentada na Tabela 2.
Os outros 20 pontos de operao esto suprimidos em funo da limitao de
espao do artigo. Os testes realizados consideram a ocorrncia do
ilhamento em cada um dos 24 pontos de operao descritos na curva de
carga diria do sistema.
So apresentados tambm na Tabela 2 os valores da potncia total
das cargas conectadas a subestao (Ptotal), o desbalano de potncia
no momento da ocorrncia do ilhamento (Pisl) e o desbalano de
potncia ps-corte de cargas (PLS), isto , a diferena entre carga e
gerao remanescente aps o corte de cargas.
Considerou-se um nvel de insero de 50% da gerao distribuda, o
que resultou em uma UGD de 5 MW. O BESS adotado tem potncia nominal
de 200 kW e capacidade de operao em sobrecarga de 5 vezes a sua
potncia nominal para perodos de tempo reduzidos [17].
As anlises apresentadas foram agrupadas em 3 nveis de
carga da seguinte forma: carga leve (5 MW < Pcarga < 8
MW),
carga intermediria (8 MW < Pcarga < 10,5 MW) e carga
pesada (Pcarga > 10,5 MW). Para cada conjunto de pontos
de
-
operao foram escolhidos os casos com maior Pisl positivo, menor
menor Pisl absoluto, sendo Pisl o desbalano de potncia
ps-ilhamento. Cabe enfatizar que o esquema de
corte de cargas atua apenas aps a atuao do rel de
deteco ilhamento, ou seja, atua apenas aps a deteco do
ilhamento. Nos estudos feitos adotou-se um tempo de
deteco de ilhamento, 100 ms, tpico de tcnicas remotas de
deteco de ilhamento [19].
A Figura 2 apresenta a resposta no domnio do tempo da frequncia
do sistema ilhado com e sem o BESS para carga leve, intermediria e
pesada. Analisando-se as curvas da Figura 2 possvel perceber que
para os casos onde apenas o esquema de corte de cargas atua,
ocorrem desvios maiores de frequncia e oscilaes de frequncia menos
amortecidas. O tempo para reestabelecimento da frequncia do sistema
ilhado similar em ambos os casos por estar fortemente atrelado ao
ganho integral da malha de controle do regulador de velocidade da
UGD. A fim de facilitar a anlise dos resultados apresentados na
Figura 2, as informaes de mxima sub e sobrefrequncia e o tempo no
qual os mximos desvios ocorreram so apresentados na Tabela 3, onde
as linhas de 1 a 3 representam carga leve, 4 a 6 carga intermediria
e 7 a 9 carga pesada. Analisando os dados da Tabela 3 possvel
perceber que o uso do banco de baterias possibilita uma reduo na
excurso de frequncia da unidade geradora aps a ocorrncia do
ilhamento.
TABELA 2 - CARGA E DESBALANO DE POTNCIA DO SISTEMA TESTE.
Tempo
(h)
Carga
Al1
(MW)
Carga
Al2 (MW)
Carga
Al3
(MW)
Carga
Al4 (MW)
Carga
Al5
(MW)
Ptotal
(MW)
PIsl (MW)
PLS (MW)
1 0.60 0.59 1.18 1.74 1.72 5.83 3.33 0.13
2 0.58 0.58 1.14 1.68 1.65 5.63 3.13 0.20
3 0.61 0.57 1.11 1.67 1.63 5.59 3.09 0.21
24 0.65 0.61 1.26 1.84 1.8 6.16 3.66 0.01
O maior ganho em relao diminuio da excurso da frequncia na rede
ilhada encontrado para as condies de carga onde o desbalano de
potncia ps-corte de cargas negativo, isto , nos casos onde a carga
excede a gerao. Para estes casos, foi possvel reduzir em at 0,7 Hz
o desvio mximo de frequncia. Alm da reduo dos mximos desvios de
frequncia, o banco de baterias possibilita uma reduo no tempo ao
qual a UGD fica submetida a desvios de frequncia significativos,
reduzindo possveis desgastes em funo de sub ou sobrefrequncias.
10 15 20 25 30 3558
58.5
59
59.5
60
60.5
61
Tempo (s)
Fre
qu
n
cia
(H
z)
Sem BESS, 24 h
Com BESS, 24 h
Sem BESS, 5 h
Com BESS, 5 h
Sem corte de cargas esem BESS
(a)
10 15 20 25 30 3558
58.5
59
59.5
60
60.5
61
Tempo (s)
Fre
qu
n
cia
(H
z)
Sem BESS, 6 h
Com BESS, 6 h
Sem BESS, 11 h
Com BESS, 11 h
Sem corte de cargas esem BESS
(b)
10 15 20 25 30 3558
58.5
59
59.5
60
60.5
61
Tempo (s)
Fre
qu
nci
a (
Hz)
Sem BESS, 13 h
Com BESS,13 h
Sem BESS, 10 h
Com BESS, 10 h Sem corte de cargas e sem BESS
(c)
Figura 2 - Frequncia do sistema ilhado com e sem o BESS: (a)
carga leve, (b) carga intermediria e (c) carga pesada.
TABELA 3 - COMPORTAMENTO DA FREQUNCIA DO SISTEMA ILHADO COM E
SEM A ATUAO DO BESS.
Frequncia
Minma
(Hz)
Tempo
para Min.
Frequncia
Frequncia
Mxima (Hz)
Frequncia
Minma
(Hz)
Tempo
para Min.
Frequncia
Frequncia
Mxima
(Hz)
1 59.32 263 ms 60.27 59.42 110 ms 60.07 3.66 0.01
2 59.46 195 ms 60.50 59.48 110 ms 60.32 3.09 0.21
3 58.92 1.03 s 60.49 59.30 198 ms 60.00 4.57 -0.24
4 59.09 270 ms 60.59 59.25 110 ms 60.09 5.82 0.02
5 59.06 258 ms 60.8 59.20 110 ms 60.25 7.63 0.13
6 58.85 890 ms 60.71 59.18 196 ms 60.00 6.98 -0.18
7 59.00 202 ms 60.69 59.20 175 ms 60.07 8.23 0.00
8 58.57 233 ms 61.00 59.14 212 ms 60.00 8.62 -0.31
9 59.15 215 ms 61.39 59.20 109 ms 60.74 8.92 0.40
Sem BESSP Pr-
Corte de
Cargas
(MW)
P Ps-
Corte de
Cargas
(MW)
Com BESS
A. Tempo Mximo para a Detecto do Ilhamento
O sistema de distribuio ilhado fica submetido a um grande
desbalano de potncia nos instantes iniciais ps-ilhamento, at que
seja identificada a condio de ilhamento e o esquema de corte de
cargas atue. Desta forma, a o tempo de deteco do ilhamento pode
afetar a estabilidade de frequncia do sistema e, por conseguinte,
inviabilizar a operao ilhada do sistema. Utilizando como base o
caso mais severo de desbalano de carga no sistema foram realizados
testes para determinar o mximo tempo de deteco para o qual o
sistema no perde a estabilidade. A Figura 3 apresenta a resposta no
domnio do tempo da frequncia do sistema ilhado considerando
diferentes tempos de deteco do ilhamento.
-
10 15 20 25 30 3545
50
55
60
65
70
Tempo (s)
Fre
qu
n
cia
(H
z)
50 ms 100 ms 105 ms150 ms
Figura 3- Impacto do tempo de deteco de ilhamento na frequncia
do sistema ilhado sem a malha de controle suplementar.
O impacto causado pelo tempo de deteco est intimamente ligado
aos ganhos atribudos aos controladores do sistema, sobretudo ao
ganho do controlador integral da malha de controle de frequncia da
UGD. Desta forma, para uma mesma condio de carregamento do sistema
podem-se ter tempos diferentes para o qual ocorrer a instabilidade
de frequncia. O ajuste dos ganhos um compromisso entre o
estabelecimento de critrios de desempenho aceitveis para o sistema
e a estabilidade frente a diferentes perturbaes.
Em uma nova sequncia de testes avaliou-se o desempenho do
sistema considerando a atuao da malha de controle suplementar
proposta para o banco de baterias. A Figura 4 apresenta a resposta
da frequncia para sistema considerando tempos de deteco de
ilhamento variando de 50 ms a 500 ms.
10 15 20 25 30 3552
54
56
58
60
62
64
Tempo (s)
Fre
qu
n
cia
(H
z)
100 ms150 ms
300 ms500 ms
Figura 4 - Impacto do tempo de deteco de ilhamento na frequncia
do sistema ilhado com a malha de controle suplementar.
A malha de controle suplementar resultou em uma melhor resposta
para a frequncia do sistema (reposta mais rpida e mais amortecida),
permitindo o sistema operar de forma ilhada mesmo para tempos de
deteco de ilhamento acima de 150 ms.
A fim de comparar a influncia da estratgia de controle do
regulador de velocidade sobre o comportamento da frequncia,
realizaram-se simulaes considerando o ponto de operao das 13 horas
e um tempo de deteco de 100 ms. Os resultados so apresentados na
Figura 5, onde se pode perceber que o regulador com queda de
velocidade apresenta uma resposta menos oscilatria e com maior
amortecimento, se comparada ao regulador iscrono sem BESS. Esta
diferena pode ser creditada a reduo do ganho na malha de
controle para o caso do regulador com queda de velocidade em
virtude da forma de implementao das estratgias de controle.
10 15 20 25 30 35 40 45 5058.5
59
59.5
60
60.5
61
Tempo (s)
Fre
qu
n
cia
(H
z)
Regulado com queda, Sem BESSRegulado Iscrono, Com BESS Regulador
Iscrono, Sem BESS
Figura 5 - Impacto do tipo de regulador sobre a resposta do
sistema.
B. Contribuio do controle suplementar para mitigar o impacto das
variaes normais de carga do sistema
Aps a transio da operao conectada para a operao ilhada a UGD
fica sujeita s variaes estocsticas tpicas das cargas do sistema de
distribuio. Essas variaes de carga podem provocar mudanas no
carregamento total do sistema, permitir a reconexo de um
alimentador desconectado no momento da ocorrncia do ilhamento.
Tanto as variaes normais de carga quanto a reconexo de
alimentadores desligados podem afetar de forma significativa a
frequncia do sistema.
O impacto de variaes de carga de 0,1 e 0,15 p.u. sobre a
frequncia do sistema ilhado com e sem a malha de controle
suplementar de frequncia foi avaliado. A resposta da frequncia do
sistema ilhado submetido s variaes de carga mencionadas apresentada
na Figura 6.
5 10 15 20 25 30 35 40 45 5058
58.5
59
59.5
60
60.5
Tempo (s)
Fre
qu
n
cia
(H
z)
Sem BESS, PL = 0.10 p.u.
Com BESS, PL = 0.10 p.u.
Sem BESS, PL = 0.15 p.u.
Com BESS, PL = 0.15 p.u.
Figura 6 - Comportamento da frequncia frente a variaes na carga
do sistema ilhado.
Analisando as curvas apresentadas na Figura 6 possvel perceber
que para o caso referente variao de carga de 0,1 p.u. se obtm uma
reduo de aproximadamente 0,45 Hz no mximo desvio de frequncia. No
caso da variao de 0,15 p.u. na potncia do sistema ilhado, a reduo
do mximo desvio de frequncia foi igual a 1,31 Hz. Alm disso,
possvel perceber a inexistncia de sobrefrequncias no caso do uso da
malha suplementar de controle de frequncia.
VI. CONCLUSES
A presena da gerao distribuda em sistemas de distribuio,
associada a estratgias operacionais e de
-
controle adequadas, pode permitir a operao ilhada desse tipo de
sistema. Nesse contexto, o presente trabalho props um esquema de
corte de cargas e uma malha de controle suplementar de frequncia
para viabilizar a operao ilhada de sistemas de distribuio com UGD
baseada em gerador sncrono acionado por turbina a vapor.
Como esperado, os testes realizados evidenciaram que o ponto de
operao do sistema de distribuio antes da ocorrncia do ilhamento
pode afetar de forma significativa o estabelecimento da operao
ilhada. Tanto o esquema de corte de cargas quanto a malha de
controle suplementar possibilitaram a operao ilhada do sistema de
distribuio para situaes operacionais onde no seria possvel manter o
sistema operando de forma ilhada. Alm disto, a malha de controle
suplementar associada ao BESS fez com que o sistema no perdesse a
estabilidade de frequncia para ganhos elevados do regulador de
velocidade da UGD. O controle proposto permitiu tambm o
estabelecimento da operao ilhada do sistema de distribuio mesmo
para condies de elevado tempo de deteco de ilhamento.
O tempo de atuao da turbina da UGD tem influncia significativa
sobre o comportamento da frequncia do sistema frente a grandes
perturbaes, como o caso do momento do ilhamento. O fato das
turbinas a vapor de pequeno porte geralmente apresentarem
dinmica/resposta relativamente rpida, a contribuio da malha de
controle suplementar adicionada ao BESS no to significativa como
poderia ser no caso de UGDs com controle de frequncia mais lento,
como o caso de unidades trmicas de maior porte ou unidades
hidrulicas. Nesse contexto, a avaliao do impacto da estratgia de
controle proposta sobre a frequncia de sistemas ilhados com
unidades de gerao com maior constante de tempo total uma das
sequncias desse trabalho.
VII. APNDICE
A Tabela A.1 apresenta os dados do regulador de velocidade da
turbina a vapor da UGD e do BESS adotado nos estudos.
TABELA A.1 - DADOS DO REGULADOR DE VELOCIDADE E TURBINA.
Potncia Nominal Pnom 5 MVA
Tenso Nominal Vnom 460 V
Constante de Inrcia H 3 s
Constante de tempo do vaso de presso Tch 0,5 s
Constante de tempo do servomotor Tsm 0,005 s
Constante de tempo do Speed Relay Tsr 0,001 s
Estatismo Rp 0,08
Ganho Integral (malha de controle secundria) Ki -1
Potncia Mxima de Descarga do Banco de Baterias PmaxD,Bess 1
MVA
Potncia Mxima de Carga do Banco de Baterias PmaxC,Bess 200
kW
Potncia Nominal Conversor Pnom,Conv 500 kW
Potncia Mxima do Conversor Pmax,Conv 1 MVA
Ganho Proporcional da Malha P-F do BESS Kp,bess 10
Dados do Regulador de Velocidade e Turbina
Dados do BESS
Potncia Nominal Pnom 5 MVA
Tenso Nominal Vnom 460 V
Constante de Inrcia H 3 s
Constante de tempo do vaso de presso Tch 0,5 s
Constante de tempo do servomotor Tsm 0,005 s
Constante de tempo do Speed Relay Tsr 0,001 s
Estatismo Rp 0,08
Ganho Integral (malha de controle secundria) Ki -1
Potncia Mxima de Descarga do Banco de Baterias PmaxD,Bess 1
MVA
Potncia Mxima de Carga do Banco de Baterias PmaxC,Bess 200
kW
Potncia Nominal Conversor Pnom,Conv 500 kW
Potncia Mxima do Conversor Pmax,Conv 1 MVA
Ganho Proporcional da Malha P-F do BESS Kp,bess 10
Dados do Regulador de Velocidade e Turbina
Dados do BESS
VIII. REFERNCIAS
[1] Brazilian Electricity Regulatory Agency (ANEEL) [Online].
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