Reguladores de Velocidade e Regulação Primária

1

Razões PrincipaisContínua variação da carga;Eventos não previstos (contingências);Requisito de Freqüência Constante;

» Equilíbrio entre Geração e Carga a cada instante.

Ações de ControleRegulação Primária ou Controle de Velocidade;

» Reserva Instantânea (Girante) → Disponível dentro de 10 a 20 segundos.

Regulação Secundária ou Controle Suplementar (CAG);» Reserva Rápida → Disponível dentro de 1 a 10 minutos.

Regulação Terciária;» Reserva de Prontidão (Backup) → Disponível dentro de 30 a 60 minutos.

Interrupção de Carga;» Automática (ERACs) ou voluntária (ofertas de redução de demandas).

Controle de Freqüência -Aspectos Gerais

2

Controle de Freqüência -Regulação Primária

Gerador SíncronoTurbinaVálvula

Regulador deVelocidade

VT

ω

Pe, ω, f

água ouvapor

ReguladorAutomático de

Tensão

Sistema deExcitação Ref

Pe

Estabilizador doSistema de Potência

Ref

ControleAutomático de

Geração

Fluxo deIntercâmbio

DespachoEconômico

f

~

~

OutrosControles(FACTS,

LTCs,etc.)

Sistema

de

Transmissão

ControleSecundário de

Tensão

VP

Controle Terciáriode Tensão

Centro deOperação

do SistemaUnidade de Geração

3

Resposta natural de cada unidade geradora às variações de carga

Determinada pelas características do Regulador de Velocidade:

» Característica descendente – Estatismo (R);» Estatismo: inverso do ganho estático da malha de controle.

Efetiva repartição de geração entre as máquinas;Gerador deve estar disponível para aumentar ou diminuir a geração;

Carga contribui para o equilíbrioCaracterística de variação da carga com a freqüência (D).

Controle de Freqüência -Regulação Primária

4

Característica Estática de Freqüência:Estatismo Permanente

Determina as características estáticas da malha de controle:

5

Controle de Velocidade de Turbinas Hidráulicas –Estatismo Transitório

Comportamento típico de Turbinas Hidráulicas:redução transitória de potência após abertura do distribuidor

Necessidade de redução transitória do ganho da malha de controle para garantir comportamento estável;

Redução transitória de ganho proporcionada pela inserção de um estatismo transitório r no projeto do regulador;

Ganho inversamente proporcional ao estatismo ⇒

r > R

6

Resposta Transitória de Turbinas Hidráulicas

7

Implementação do Estatismo

Regulador IsócronoNão apresenta estatismo;Ilustração via implementação hidráulico-mecânica.

Regulador com queda de velocidade (turbogeradores):

Realimentação rígida entre servopistão e sensor de velocidade;Não apresenta estatismo transitório;Ilustração via implementação hidráulico-mecânica.

Regulador com queda de velocidade transitória (turbinas hidráulicas):

Realimentação “flexível” entre servopistão e sensor de velocidade;Amortecedor hidráulico na realimentação ⇒ estatismo transitório;Ilustração via implementação hidráulico-mecânica.

8

Regulador de Velocidade para Turbinas a VaporRegulador Isócrono

9

Regulador de Velocidade para Turbinas a VaporRegulador com Queda de Velocidade

10

Regulador de Velocidade para Turbinas Hidráulicas

11

Regulação Primária de Sistema Isolado: Exemplo Ilustrativo

Comentário: Desvio de freqüência é limitado apenas pela redução de carga com a queda de freqüência

Desvio a um degrau de carga: Lf ( )DΔ

Δ ∞ = −

Desvio a um degrau de carga: R1D

L)(f+

Δ−=∞Δ

Comentários: Desvio de freqüência limitado não só por D, mas também pelo inverso do estatismo permanente

Com Regulador

Sem Regulador

12

Regulação Primária de Sistema Isolado: Exemplo sem Regulador

» Seja: Pot. Nominal => Pn = 2000 MW

» Carga Nominal => PL = 1000 MW» Constante de Inércia => M = 1/6 s» Variação Carga/freqüência => D =

1%

» Para um incremento de carga =>

Hz/puMWf.

PnPL.

D120

160

20001000

010

010

0

==×

×=

pu.MWL 01020 ==Δ

Regulador Bloqueado:

Hz2.1120

101.0

DL)(f −=−=

Δ−=∞Δ

Hz8.582.160)(ff)(f 0 =−=∞Δ+=∞

13

Regulação Primária de Sistema Isolado: Exemplo com Regulador

» Seja: Pot. Nominal => Pn = 2000 MW» Carga Nominal => PL = 1000 MW» Constante de Inércia => M = 1/6 s» Variação Carga/freqüência => D = 1/120 puMW / Hz» Estatismo => R = 4 %

» Para um incremento de carga =>

puMWHz.

puMWHz.

puMWpuHz.R 4260040040

=×

==

pu01.0MW20L ==Δ

Regulação Primária:

Hz0235.04.2

1120

101.0

R1D

L)(f −=+

−=+

Δ−=∞Δ

Hz9765.590235.060)(ff)(f 0 =−=∞Δ+=∞

14

Regulação Primária de Sistema Isolado: Comentários sobre Exemplo com Regulador

O suprimento do degrau de carga é composto de 3 componentes:

» Energia tomada emprestada da energia cinética das massas girantes do sistema (Queda de velocidade);

» O aumento da geração, provocado pela ação do regulador;» A redução da carga, por efeito da queda de freqüência.

Assim:

Mw6.19Mw4.2

20000235.0)(fR1)(Pm =

×=∞Δ×−=∞Δ

Mw4.0Mw120

20000235.0)(fD)(PL −=×

−=∞Δ×=∞Δ

LMw20)4.0(6.19)(PL)(Pm Δ==−−=∞Δ−∞Δ

15

Regulação Primária de Sistema Isolado: Resposta Transitória

16

Duas Áreas Interligadas sem Regulação Primária

17

Duas Áreas Interligadas com Regulação Primária

18

Regulação Primária de Duas Áreas Interligadas:Comportamento Transitório - I

Simplificações:Áreas iguais: M1 = M2, D1 = D2, R1 = R2;

Dinâmicas de reguladores e turbinas “instantâneas” (TR=TC≈0).

Resposta de desvio de freqüência da Área 1 a degrau de carga na mesma área.

19

Regulação Primária de Duas Áreas Interligadas:Comportamento Transitório - II

20

Regulação Primária de Duas Áreas Interligadas:Comportamento Transitório - III

G1(s) ←

21

Regulação Primária de Duas Áreas Interligadas:Comportamento Transitório - IV

G1(s) ←

→ G(s)

22

Regulação Primária de Duas Áreas Interligadas:Comportamento Transitório - V

Função de Transferência G(s):

RD,

)sM)(TssM()TssM(

)s(P)s(F)s(G

L

1122

2

1

1 +=+++

++−=

ΔΔ

= ββββ

βββ

Respostas a um degrau de carga na área 1, de amplitude ΔL:

)tMM

T(senTMee(L)t(f

Mt

Mt

φββββ

ββ

+−−

−+−Δ=Δ−

−

2

2

2

2

1 42

821

21

⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢

⎣

⎡

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+−

−−

Δ−=Δ

−

ϕβζ

β

tMM

TcoseL)t(PMt

TL 22

2

42

11

2

23

Regulação Primária – Duas Áreas Interligadas Resposta Transitória de Desvio de Freqüência

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5-0.14

-0.12

-0.1

-0.08

-0.06

-0.04

-0.02

0

)tMM

T(senTMee(L)t(f

Mt

Mt

φββββ

ββ

+−−

−+−Δ=Δ−

−

2

2

2

2

1 42

821

21

24

Regulação Primária – Duas Áreas Interligadas Resposta Transitória de Desvio de Intercâmbio

⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢

⎣

⎡

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+−

−−

Δ−=Δ

−

ϕβζ

β

tMM

TcoseL)t(PMt

TL 22

2

42

11

2

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5-0.08

-0.07

-0.06

-0.05

-0.04

-0.03

-0.02

-0.01

0

25

Regulação Primária –Duas Áreas Interligadas –Desvios de Freqüência e PTL em Reg. Perm.

Desvio de Freqüência face a degraus de carga ΔL1 eΔL2 :

21

21

22

11

21

11 ββ +Δ+Δ

−=

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛++⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

Δ+Δ−=∞Δ

LL

RD

RD

LL)(F

Desvio de Potência de Intercâmbio:

21

1221

22

11

12

221

1

12 11

11

ββββ

+Δ−Δ

=+++

Δ+−Δ+=Δ

LL

)R

D()R

D(

L)R

D(L)R

D(P ,TL

26

Regulação Primária -Sistema Multimáquinas

Num sistema multimáquinas, dada uma variação de carga, esta é absorvida por todas as unidades geradoras de acordo com a característica de regulação dos respectivos reguladores de velocidade das turbinas, que é descendente.A freqüência se estabiliza em um novo valor: 01 FF ≠

PG10 P G1(MW)PG11

F1

F

PG20 PG21 PG31PG30PG2

F(Hz)

F

PG3

F0

α1 α2 α3

α1tg = R1 α2tg = R2 α3tg = R3(Hz / Mw)