Representação da geração eólica em estudos de transitórios eletromagnéticos

Edição 105 – Outubro de 2014
Por A. B. Fernandes, A. Samuel Neto, K. H. M. Lemes, G. M. Martins*

Análise dos estudos de rejeição de carga em função da incorporação do Complexo Eólico Desenvix Bahia (CEDB) ao Sistema Interligado Nacional (SIN).

O conjunto formado pelas Centrais de Geração Eólicas (CGEs) Macaúbas (30 MW), Seabra (30 MW), Novo Horizonte (30 MW) e o sistema de conexão compartilhado, constituem o Complexo Eólico Desenvix Bahia (CEDB) – 90 MW –, que comercializou sua produção no Leilão de Energia de Reserva (LER) A-3, promovido pela Aneel em dezembro de 2009, tendo entrado em operação comercial em julho de 2012.

Localizado no sudoeste do estado da Bahia (Área Sudoeste do Nordeste), o CEDB se conecta diretamente na Rede Básica do Sistema Interligado Nacional (SIN), na subestação (SE) 230/34,5 kV Brotas de Macaúbas, originada a partir do seccionamento da LT 230 kV Bom Jesus da Lapa – Irecê, distante cerca de 30 km do ponto de seccionamento (Figura 1).

Figura 1 – Área Sudoeste do Nordeste, com destaque para a SE 230/34,5 kV Brotas de Macaúbas, ponto de conexão com a Rede Básica do Complexo Eólico.

Historicamente, desde 2003, quando da entrada em operação da Interligação Sudeste/Nordeste, diversos estudos de rejeição de carga foram realizados, visando garantir a integridade dos equipamentos e instalações 500 kV e 230 kV próximos, uma vez que a presença desta interligação alterou significativamente a potência de curto-circuito e a impedância harmônica vista dos barramentos 230 kV. Neste contexto, com a entrada em operação do CEDB, faz-se necessário verificar como a incorporação deste empreendimento pode impactar nas sobretensões e sobrecorrentes transitórias quando de rejeições de carga, demandando uma avaliação criteriosa dos impactos sobre as instalações existentes.

No presente trabalho, apresenta-se uma análise quanto aos estudos de rejeição de carga em função da incorporação do CEDB. Para tanto, quantificam-se as sobretensões transitórias decorrentes das manobras de abertura de circuitos 230 kV na Área Sudoeste e 500 kV na Interligação Sudeste/Nordeste, em condições de máximo fluxo (Fluxo SE/NE = FSENE máximo). Para tanto, a Rede Básica, os sistemas regionais 69 kV e 138 kV (com PCHs e UTE), e as usinas eólicas são modeladas em detalhes, no formato do programa ATP – Alternative Transients Program.

Um aspecto que merece destaque e imputa ineditismo ao presente trabalho é a representação de todas as 57 unidades de geração eólica (aerogeradores DFIG – Double Fed Induction Generator) e equipamentos associados, para os quais o fabricante forneceu modelos computacionais implementados em MODELS/TACS/ATP. Este modelo detalhado conta com a representação dos conversores, dispositivos e lógicas de medição, proteção e controle. As redes internas das usinas, compostas por cabos subterrâneos, transformadores elevadores e um filtro em

34,5 kV, também são modelados em detalhes. Adicionalmente, faz-se uso de um modelo simplificado (fonte + reatância subtransitória), visando quantificar as distinções e ganhos no uso de um modelo detalhado, a título de comparação. Mostram-se os resultados, destacando similaridades e distinções.

Caracterização do empreendimento

Com o seccionamento da LT 230 kV Bom Jesus da Lapa – Irecê, a cerca de 180 km a partir de Bom Jesus da Lapa, tem-se dois novos trechos de linhas (com cerca de 30 km cada) até a nova SE 230 kV, denominada Brotas de Macaúbas, instalação em que os parques eólicos compartilham um único transformador 230/34,5 kV, 100 MVA. A conexão dos parques à subestação coletora se dá por meio de uma rede de subtransmissão, em 34,5 kV, composta de cabos subterrâneos.

Desenvix Bahia (CEDB) – 90 MW – composto pelas CGEs Macaúbas (30 MW), Seabra (30 MW), Novo Horizonte (30 MW). Os aerogeradores das CGEs Seabra e Novo Horizonte estão conectados em número de 9 (totalizando 15,03 MW) por cada alimentador. Para a CGE Macaúbas são 11 aerogeradores (totalizando 18,37 MW) no alimentador 01 e 10 aerogeradores (totalizando 16,7 MW) no alimentador 2 (Figura 2).

Figura 2 – Diagrama unifilar do Complexo Eólico Desenvix Bahia (CEDB) – CGEs Macaúbas, Seabra e Novo Horizonte.

Tecnologia dos aerogeradores

Os aerogeradores do CEDB são de fornecimento Alstom e, portanto, os estudos utilizam informações e modelos computacionais fornecidos por este fabricante. A tecnologia utilizada é a de turbina de velocidade variável com gerador de indução de dupla alimentação (DFIG – Double Fed Induction Generator ou DFIM – Double Fed Induction Machine). Veja a Figura 3.

Para o controle de geração da potência ativa, reativa, tensão terminal e frequência, esta tecnologia utiliza conversores baseados em eletrônica de potência. Tem-se ainda diversos dispositivos e lógicas de proteção e controle, necessários para o atendimento de requisitos de desempenho.

Figura 3 – Turbina de velocidade variável com gerador de indução de dupla alimentação (DFIG ou DFIM).T

Embora o modelo detalhado, implementado e fornecido pelo fabricante reproduza o comportamento transitórios das tensões e correntes terminais, este não tem implementado os conversores (rotor and grid side converters – Figura 3) por elementos de circuito, mas uma representação por fontes de tensão equivalentes, que reproduzem a resposta destes.

Apresenta-se na Figura 4 o desempenho sob falta (trifásica-terra) do modelo computacional em ATP para o aerogerador Alstom ECO86 (DIFG), utilizado nos estudos. Pode-se observar a dinâmica dos controles durante e após a falta para a potência ativa e reativa.

Figura 4 – Desempenho sob falta (trifásica-terra) do modelo em ATP para o aerogerador Alstom ECO86 (DFIG) utilizado nos estudos. Potência ativa (vermelho) e reativa (verde).

Desta forma, apesar de ser um modelo factível para estudos de transitórios eletromagnéticos, tal representação não se aplica para estudos de qualidade da energia elétrica – distorção harmônica e cintilação (flicker), por exemplo –, uma vez que, ao não representar os elementos não lineares, tal modelo não reproduz com exatidão a injeção de harmônicos, tanto para a tensão quanto para a corrente.

De fato, no desenvolvimento e implementação do modelo em ATP, adotou-se como premissa uma representação do aerogerador para estudos sistêmicos, visando considerar com maior exatidão a presença das usinas eólicas, de forma a quantificar os impactos para a rede elétrica. Para uma análise do desempenho do aerogerador quando conectado à rede, faz-se necessário representar em detalhes todas as dinâmicas, controles e proteções deste equipamento.

Premissas dos estudos

Visando restringir a modelagem do sistema à área de interesse, os sistemas em 500 kV são representados por equivalentes nas SEs 500 kV Serra da Mesa II, Sobradinho e Sapeaçu, enquanto os sistemas em 230 kV são representados por um único equivalente na SE 230 kV Brumado II.

De forma conservadora, considera-se a carga leve prevista no par 2011-2014, especificamente para o mês de julho/2012. Ao considerar o regional em 69 kV entre a SE Bom Jesus da Lapa e Barreiras, bem como o regional 138 kV derivado das SEs Barreiras, representados em detalhes faz-se uso da carga mínima nestes regionais, conforme dados fornecidos pela Coelba.

No regional 69 kV, consideram-se as máquinas das UHEs Alto Fêmeas e Correntina com máxima tensão terminal possível (limite superior = 1,050 pu). No regional 138 kV, inicialmente consideram-se as PCHs Boa Sorte, Porto Franco, Riacho Preto, Lagoa Grande e a UTE Sykué presentes, com máxima geração e máxima tensão terminal possível (limite superior = 1,050 pu).

Considera-se o compensador estático (CE, 500/17,5 kV, -250/+250 Mvar) da SE Bom Jesus da Lapa II 500 kV disponível e em operação, bem como os compensadores síncronos (CS) das SEs 230 kV Bom Jesus da Lapa (13,8 kV, -15/+30 Mvar) e Irecê (13,8 kV, -15/+30 Mvar).

Diretrizes e critérios

Nas análises que se seguem, têm-se como diretrizes e critérios:

• As tensões pré-manobra respeitam os valores convergidos no caso base em regime permanente. Se possível, são utilizados os limites máximos permissíveis (Submódulo 23.3, Item 9.1.9, Revisão 1.1).

• Quando da aplicação de curtos-circuitos, considera-se a hipótese da ocorrência do curto-circuito antes da manobra de abertura dos disjuntores. Para tanto, o instante de ocorrência da falta corresponde ao valor máximo ou zero da senoide na frequência fundamental, conforme análise prévia, visando simular o caso mais severo.

• Procede-se uma pesquisa pela pior sequência de abertura tripolar dos disjuntores, tendo como foco as sobretensões e as energias dissipadas pelos para-raios.

• Considera-se: 80 ms e 100 ms como sendo os tempos médios para abertura tripolar de linhas 500 kV e 230 kV, respectivamente, após a incidência da falta (primeira zona); e 20 ms o tempo médio para a transferência de disparo para o terminal oposto (transfer trip ou TDD).

• Suportabilidade dos equipamentos 230 kV: conforme informações fornecidas pelo agente proprietário, Chesf, as sobretensões transitórias não devem exceder o valor referência de 1,400 pu (262,9 kV) por um tempo superior a 10 ciclos, nos barramentos 230 kV das SEs Bom Jesus da Lapa, Irecê e Barreiras.

• Sobretensões nos terminais em aberto das linhas de transmissão 500 kV: a não superação do valor referência de 2,080 pu (849,2 kV), que corresponde ao valor de sobretensão de manobra utilizado para o dimensionamento do isolamento das linhas, com um risco de falha de 0,1%.

• Sobretensões nos terminais em aberto das linhas de transmissão 230 kV: a não superação do valor referência de 2,000 pu (375,6 kV).

• A energia dissipada, a corrente drenada pelos para-raios e as sobretensões temporárias durante manobras não podem ser superiores àquelas informadas pelo agente proprietário/fabricante.

• Para as sobretensões transitórias entre contatos dos disjuntores: um valor máximo limite de 3,810 pu (1.555,4 kV), com 66 Hz (7,6 ms) para disjuntores 500 kV das linhas da Interligação Sudeste/Nordeste e nos disjuntores 230 kV dos links Bom Jesus da Lapa II – Bom Jesus da Lapa não deve exceder o limite de 2,800 pu (525,8 kV).

• Como informado pela Chesf, as sobretensões entre contatos dos disjuntores 230 kV, das SEs Bom Jesus da Lapa, Barreiras e Irecê, não devem exceder o limite de referência de 3,000 pu (563,4 kV).

• Limites para a proteção por sobretensão (valores RMS):

 

a) 1,300 pu instantâneo e 1,200 pu, por 5 s, temporizado, nos terminais 230 kV da SE Irecê;

b) 1,300 pu instantâneo e 1,150 pu por 5 s, temporizado nos terminais 230 kV das SEs Bom Jesus da Lapa e Barreiras;

c) 1,400 pu instantâneo sem retardo intencional e 1,200 pu por 1,6 s para o trecho 500 kV Serra da Mesa II – Rio das Éguas – Bom Jesus da Lapa II;

d) 1,400 pu, instantâneo sem retardo intencional e 1,200 pu por 2 s para o trecho 500 kV Bom Jesus da Lapa II – Ibicoara – Sapeaçu.

 

Representação dos aerogeradores e usinas

As usinas do CEDB são compostas por 57 aerogeradores Alstom ECO86 (DFIG), potência nominal de 1,67 MW e tensão de geração (saída do conversor) de 690 V. Cada unidade geradora possui internamente um transformador 0,69/0,40/34,5 kV, 2.080 kVA, ligação Dyn11 e um cubículo de manobra em 34,5 kV. A interligação entre os geradores e a subestação é feita pelos cabos de alumínio isolados, diretamente enterrados no solo. A rede interna dos parques eólicos é composta por cabo

s subterrâneos em 34,5 kV modelados por circuitos a parâmetros concentrados (PI), em função da pequena extensão destes.

O fabricante dos aerogeradores Alstom ECO86, 1,67 MW, disponibilizou um modelo específico implementado em MODELS/TACS para uso com o programa ATP (Alternative Transients Program). Adicionalmente, faz-se uso de um modelo simplificado (fonte + reatância subtransitória, xd”), visando quantificar as distinções e ganhos no uso de um modelo detalhado a título de comparação.

Resultados das simulações

Condições iniciais – ajustes em regime permanente

Considerando a Interligação SE/NE em operação normal, o anel 500/230 kV Sobradinho/Bom Jesus da Lapa II fechado, as condições de regime permanente ajustadas no programa Anarede são reproduzidas com o programa ATP.

Abertura dupla manual e simultânea em Serra da

Mesa e Ibicoara

Estando a interligação Sudeste/Nordeste em operação normal e o anel 500/230 kV Sobradinho/Bom Jesus da Lapa fechado, com geração máxima nas usinas do CEDB, simula-se a abertura dupla, manual e simultânea, das LTs 500 kV Bom Jesus da Lapa II – Ibicoara, em Ibicoara, e Serra da Mesa II – Rio das Éguas, em Serra da Mesa II (Figura 1).

Nas simulações verifica-se a possibilidade de atuação das proteções de sobretensão instantâneas (superação do limite de 1,300 pu, simultaneamente nas três fases – lógica “AND”), desenergizando as LTs 230 kV Bom Jesus da Lapa – Barreiras e Bom Jesus da Lapa – Brotas de Macaúbas, a partir da SE Bom Jesus da Lapa. Assim, simulam-se estas manobras como desdobramento da abertura dupla.

Mesmo se tratando de uma abertura intempestiva (manual), tem-se a transferência de disparo (transfer trip), em aproximadamente 20 ms para os terminais remotos em Rio das Éguas e Bom Jesus da Lapa II, por um Esquema de Controle de Emergência (ECE) implantado. Este mesmo ECE atua após a abertura da LT Serra da Mesa II – Rio das Éguas, desenergizando de forma intencional a LT Rio das Éguas – Bom Jesus da Lapa II, evitando que este circuito em vazio contribua para elevação das sobretensões transitórias decorrentes da rejeição de carga.

A simulação em pauta é realizada para duas representações distintas das CGEs Seabra, Macaúbas e Novo Horizonte, a saber:

1) Aerogeradores representados pelo modelo Alstom ECO86, implementados em MODELS/TACS/ATP; 2) Aerogeradores representados por fonte type-14 mais a reatância subtransitória.

Apresentam-se nas Figuras 5 a 8 os resultados das simulações.

Figura 5 – Tensões instantâneas e RMS no barramento 230 kV da SE Bom Jesus da Lapa – Abertura dupla simultânea – Modelo simplificado versus modelo Alstom ECO86.

Figura 6 – Tensões no barramento 230 kV da SE Brotas de Macaúbas – Abertura dupla simultânea – Modelo simplificado versus modelo Alstom ECO86.

Figura 7 – Correntes de armadura do compensador síncrono (13,8 kV, -15/+30 Mvar) da SE Irecê – Abertura dupla simultânea – Modelo simplificado versus modelo Alstom ECO86.

Figura 8 – Correntes de armadura do compensador síncrono (13,8 kV, -15/+30 Mvar) da SE Bom Jesus da Lapa – Abertura dupla simultânea – Modelo simplificado versus modelo Alstom ECO86.

Das simulações, observa-se que as sobretensões instantâneas nos barramentos 230 kV são amortecidas de imediato e não se verificam sobretensões sustentadas. Quanto aos distintos modelos computacionais, as sobretensões transitórias observadas são similares, com pequenas diferenças, sobretudo nas amplitudes máximas. As maiores distinções se observam nas correntes de armadura do compensador síncrono (CS) da SE 230 kV Irecê (Figura 7).

Abertura simples, sob falta, da LT 230 kV Bom Jesus da Lapa – Brotas de Macaúbas

Desta feita, aplica-se um curto-circuito, fase-terra (no caso, fase A), nos terminais em Brotas de Macaúbas da LT 230 kV Bom Jesus da Lapa – Brotas de Macaúbas, no exato instante do valor “zero” de tensão (condição mais severa). Em seguida, simula-se a abertura da LT 230 kV Bom Jesus da Lapa – Brotas de Macaúbas, com a permanência da falta por cerca de 100ms, ocasionando a abertura do disjuntor no terminal em Brotas de Macaúbas, com transferência de disparo (transfer trip), em aproximadamente 20ms, para o terminal oposto em Bom Jesus da Lapa.

A simulação em pauta é realizada para duas representações distintas do Complexo Eólico Desenvix Bahia, a saber: modelo Alstom ECO86 (MODELS/TACS/ATP) e-modelo simplificado (fonte type-14 + reatância subtransitória). Apresenta-se nas Figuras 9 a 11 os resultados das simulações.

Das simulações, observa-se que as sobretensões instantâneas nos barramentos 230 kV são amortecidas de imediato e não se verificam sobretensões sustentadas. Quanto aos distintos modelos computacionais utilizados na representação dos aerogeradores do CEDB, as sobretensões transitórias observadas são similares.

As poucas diferenças nas sobretensões se observam após a rejeição de carga, nas proximidades da SE 230 kV Brotas de Macaúbas, até que um novo ponto de operação seja estabelecido. As sobrecorrentes de armadura do compensador síncrono (CS) da SE 230 kV Irecê apresentam poucas diferenças após a rejeição (Figura 11).

Conclusão

Em todas as simulações, as sobretensões instantâneas nos barramentos 500 kV e 230 kV são amortecidas de imediato e não se verificam sobretensões sustentadas. De igual modo, as tensões entre contatos dos disjuntores 230 kV sempre se mostram bem abaixo do valor limite de 3,000 pu, adotado como referência no presente estudo. As energias absorvidas pelos para-raios 500 kV e 230 kV são irrelevantes, diante dos valores limites para absorção de energia.

Figura 9 -Tensões no barramento 230 kV da SE Brotas de Macaúbas – Abertura da LT Bom Jesus da Lapa – Brotas de Macaúbas – Modelo simplificado versus modelo Alstom ECO86.

Figura 10 – Tensões entre contatos do disjuntor 230 kV em Brotas de Macaúbas – Abertura da LT Bom Jesus da Lapa – Brotas de Macaúbas – Modelo simplificado versus modelo Alstom ECO86.

Figura 11 – Correntes de armadura do CS (13,8 kV, -15/+30 Mvar) da SE Irecê – Abertura da LT Bom Jesus da Lapa – Brotas de Macaúbas, em Brotas de Macaúbas, com transfer trip para Irecê – Modelo simplificado versus modelo Alstom ECO86.

Com base nos resultados apresentados, a incorporação ao SIN do CEDB não impõe riscos à integridade dos equipamentos e instalações 230 kV. Quanto aos distintos modelos computacionais utilizados na representação dos aerogeradores do CEDB, pode-se afirmar que:

– As sobretensões transitórias observadas são similares, com pequenas diferenças no comportamento destas após as manobras de rejeição.

– As maiores distinções se observam na amplitude das correntes de armadura dos compensadores síncronos (CS) da SE 230 kV Irecê e Bom Jesus da Lapa.

– Independentemente do modelo utilizado nos estudos, se simplificado ou detalhado, as conclusões do estudo não se alteram.

Apesar dos resultados, em função das particularidades do tipo (aerogerador DFIG), do modelo computacional dos aerogeradores e dos estudos realizados (rejeição de carga), não é possível extrapolar tais conclusões para todo e qualquer estudo de transitórios eletromagnéticos com geração eólica presente. Para tanto, estudos adicionais devem ser executados, considerando outros fenômenos transitórios, outras tecnologias de aerogeradores e outras topologias de rede. As similaridades aqui observadas com os distintos modelos, caracterizam um caso específico e particular.

Cabe destacar que o modelo detalhado, aqui utilizado, não têm representados os dispositivos conversores por elementos de circuitos (ponte conversora a IGBTs), mas fazem uso de fontes equivalentes para reproduzir o comportamento dinâmico das tensões e correntes terminais dos aerogeradores. Tal representação é válida para estudos de transitórios eletromagnéticos de energização (linhas, transformadores e bancos de capacitores/reatores), faltas e rejeição de carga, quando o foco é o impacto da usina eólica para o sistema elétrico.

De fato, no desenvolvimento e implementação do modelo em ATP, adotou-se como premissa uma representação do aerogerador para estudos sistêmicos, visando considerar com maior exatidão a presença das usinas eólicas, de forma a quantificar os impactos para a rede elétrica. Para uma análise do desempenho do aerogerador quando conectado à rede, faz-se necessário representar em detalhes todas as dinâmicas, controles e proteções deste equipamento. Para tanto, a modelagem deve seguir outras premissas.

Em função destas considerações, estudos de penetração e propagação de harmônicos (qualidade da energia elétrica) requerem modelos específicos que considerem a injeção de harmônicos devido as não linearidades. Portanto, apesar de ser um modelo factível para estudos de transitórios eletromagnéticos, tal representação não se aplica para estudos de qualidade da energia elétrica (QEE), uma vez que ao não representar os elementos não lineares, tal modelo não reproduz com exatidão a injeção de harmônicos, tanto para a tensão quanto para a corrente. 

 

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Referências bibliográficas

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– Centro de Pesquisas de Energia Elétrica – Cepel, Anarede – Programa de Análise de Redes, V09.07.02. Rio de Janeiro, Brasil, abril de 2011.

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*Alécio Barreto Fernandes e Antonio Samuel Neto são engenheiros do Operador Nacional do Sistema Elétrico (ONS).

Kadu Lemes e Guilherme Martins são engenheiros da Engevix Engenharia S/A.

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Este trabalho foi originalmente apresentado durante a décima Conferência Brasileira de Qualidade de Energia Elétrica, que aconteceu de 25 a 28 de julho de 2013 na cidade de Araxá (MG).

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