avaliação técnica do desempenho da compensação reativa shunt capacitiva aplicada à expansão ...

208 Pages·2010·4.1 MB·Portuguese

FABRÍCIO SILVEIRA CHAVES

A T D
VALIAÇÃO ÉCNICA DO ESEMPENHO DA
C R S C
OMPENSAÇÃO EATIVA HUNT APACITIVA
A E S E
PLICADA À XPANSÃO DE ISTEMAS LÉTRICOS

Tese de Doutorado apresentada ao Programa de Pós-
Graduação em Engenharia Elétrica da Escola de
Engenharia da Universidade Federal de Minas Gerais

Área de Concentração: Engenharia de Potência
Linha de Pesquisa: Sistemas de Energia Elétrica

Orientadora: Profa. Maria Helena Murta Vale

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA - PPGEE
UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS - UFMG
BELO HORIZONTE
2007
i

Dedico este trabalho a todos que entraram na minha história de vida
e me ensinaram a crescer e a ser gente – Deus, meus pais, minha irmã,
Profa. Maria Helena Murta Vale – minha grande orientadora,
minha namorada Michelle,
meus amigos verdadeiros,
meus parentes,
meus professores de ontem e de hoje.
ii

AGRADECIMENTOS
Obrigado, Senhor!
Por ter permitido que fossem meus pais: Saturnino e Luciana, senhores de tanta
coragem, responsabilidade, energia e amor. Sem a dedicação deles não teria chegado onde
estou hoje.
Por ter dado à minha mãe tamanha paciência, habilidade e persistência para me
ajudar em tudo de que precisei.
Por ter sido eu a prova mais concreta de tudo aquilo que meus pais plantaram.
Por ter sido eu alvo do incentivo e da alegria de minha irmã Sabrina.
Por ter como namorada Michelle que suportou o estresse da finalização da tese e,
com muita compreensão, esteve sempre ao meu lado.
Por ter colocado em meu caminho a professora Maria Helena Murta Vale que me
reergueu nos momentos difíceis, nunca me abandonando mesmo em situações
embaraçosas, e me orientando para que eu conseguisse alcançar a glória.
Por ter sido propiciada por engenheiros da CEMIG a oportunidade de se fazer um
estudo dentro daquela empresa.
Por ter convivido com Francisco, José Roberto, Roberto Márcio Coutinho, Sebastião
Otávio, Tiago, engenheiros da CEMIG que me esclareceram as dúvidas e me ajudaram a
solucionar as dificuldades encontradas durante a pesquisa.
Por ter recebido o apoio dos meus amigos do LRC – Alberto, Amilton, Cláudia,
Fernando, Fuad, Luiz Mariano Júnior, Marcelo, Renato, Rosilene, Walmir, Werveson – para
resolver problemas de ordem técnica e burocrática e também por terem tornado o doutorado
uma luta mais amena.
Por ter colocado a meu lado pessoas tão especiais.
Por tudo enfim que tornou possível eu ser digno desta grande vitória.
iii
RESUMO
Este trabalho apresenta uma Estratégia para definição da Compensação Reativa Shunt
Capacitiva aplicada às atividades de Expansão dos Sistemas Elétricos de Potência. A
compensação reativa traz vários benefícios para os sistemas elétricos dentre os quais
destacam-se: maior e melhor aproveitamento do sistema existente, equilíbrio no balanço
geração/consumo de potência reativa, fatores de potência ajustados e perfil de tensão
adequado. Adicionalmente, constitui-se em alternativa bastante atrativa em termos
econômicos.
Controlar os sistemas elétricos de forma otimizada tem se configurado cada vez mais uma
tarefa não trivial, fato este que vem justificar o grande interesse do setor elétrico no
desenvolvimento de Estratégias de Controle. A definição da compensação reativa se torna
ainda mais complexa quando se deseja melhor qualidade de energia sem problemas de
colapso de tensão, sem sobretensões e sobrecorrentes e com o mínimo possível de
distorção harmônica da tensão e da corrente.
O planejamento da expansão, no que concerne à compensação reativa, é composto por
quatro passos básicos: (i) seleção do sistema a ser estudado; (ii) definição da compensação
reativa e controle de tensão; (iii) avaliação técnica e econômica da alternativa; (iv)
estruturação do plano de expansão.
Neste trabalho são definidos e detalhados procedimentos relativos à avaliação técnica de
alternativas. Tal avaliação é realizada por meio da análise do comportamento do sistema
elétrico nos seguintes aspectos: estabilidade de tensão, através de curvas PV e QV;
transitórios eletromagnéticos, onde são realizadas simulações de manobra de capacitores
para barras críticas; harmônicos, em que se verificam as distorções das formas de onda de
tensão e corrente amplificadas pelos capacitores sugeridos. A tese expõe propostas de
alteração da compensação inicialmente indicada, caso os resultados da avaliação apontem
tal necessidade.
Três procedimentos são apresentados: Individual, Global e Otimizado Expandido. Os
resultados da aplicação da metodologia proposta na tese em redes elétricas reais são
registrados, de maneira a demonstrar, detalhar e exemplificar os diversos passos dos
procedimentos para cada avaliação técnica.
iv

ABSTRACT
This work presents a strategy for definition of the Capacitive Shunt Reactive Compensation
applied to Power Systems Expansion activities. The reactive compensation brings some
benefits for electrical systems: greater and better exploitation of the existing electrical
system, power factor correction and adequate voltage profile. Besides, this is an attractive
expansion alternative regarding economic aspects.
The problem involved with reactive compensation is not trivial and the expansion plan
preparation becomes a complex task, fact that justifies the great interest of the electric sector
in the development of Control Strategies. The definition of the reactive compensation
becomes still more complex when a better quality of energy is desired, without voltage
collapse, overvoltage and overcurrent problems and with small harmonic distortion of voltage
and current waves. These problems result in damage for energy companies, consumers and
electrical power system sector.
Expansion planning tasks considers the following steps: (i) Power System Diagnosis
Evaluation, in order to detect any deficiency; (ii) Reactive Compensation Equipment
Definition; (iii) Economical and Technical Evaluation of the alternatives; (iv) Selection of the
most adequate alternative and Preparation of the Expansion Plan.
In this work, the procedures related to the technical evaluation of alternatives are defined and
detailed. This evaluation is realized by the analysis of the electrical system behavior with
respect to the following aspects: voltage stability, by the use of PV and QV curves;
electromagnetic transient, where simulations of switching capacitors for critical buses are
done; harmonic, where the distortions of the voltage and current wave forms, amplified by
the suggested compensation, are verified. The thesis presents also specific procedures for
compensation alteration, if the evaluation step indicates this necessity.
Three procedures are detailed in this work: Individual, Global and Extended Optimized.
Application results of the proposed strategy in real electric networks are presented, in way to
demonstrate and illustrate the steps of the procedures.
v
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO...................................................................................................................1
1.1. Considerações Iniciais..............................................................................................1
1.2. Relevância do Tema e Contribuições.......................................................................2
1.3. Motivação e Objetivo................................................................................................4
1.4. Estrutura do Trabalho...............................................................................................4

2. CONTEXTUALIZAÇÃO DO TEMA E CONCEITOS BÁSICOS............................. 6
2.1. Contextualização do Tema.......................................................................................6
2.1.1. Compensação Reativa e Controle de Tensão.......................................................6
2.1.1.1. Políticas, Critérios e Procedimentos para CR/CT....................................................9
2.1.2. Estabilidade de Tensão........................................................................................11
2.1.3. Transitórios Eletromagnéticos..............................................................................13
2.1.4. Harmônicos..........................................................................................................15
2.2. Conceitos Básicos e Literatura Técnica Relevante................................................16
2.2.1. Compensação Reativa Shunt Capacitiva............................................................16
2.2.2. Estabilidade de Tensão........................................................................................18
2.2.3. Transitórios Eletromagnéticos..............................................................................25
2.2.4. Harmônicos..........................................................................................................38
2.3. Considerações Finais.............................................................................................54

3. AVALIAÇÃO DA COMPENSAÇÃO REATIVA –
PROCEDIMENTOS INDIVIDUAIS....................................................................... 55
3.1. Considerações Preliminares...................................................................................55
3.2. Estabilidade de Tensão..........................................................................................56
3.2.1. Questão a ser Solucionada..................................................................................56
3.2.2. Procedimento Proposto........................................................................................56
3.2.3. Aplicação do Procedimento Proposto..................................................................59
3.3. Transitórios Eletromagnéticos................................................................................78
3.3.1. Questão a ser Solucionada..................................................................................78
3.3.2. Procedimento Proposto........................................................................................78
3.3.3. Aplicação do Procedimento Proposto..................................................................85
3.4. Harmônicos............................................................................................................95
vi
3.4.1. Questão a ser Solucionada..................................................................................95
3.4.2. Procedimento Proposto........................................................................................96
3.4.3. Aplicação do Procedimento Proposto................................................................105
3.5. Análise dos Resultados dos Procedimentos Individuais......................................115
3.6. Considerações Finais...........................................................................................118

4. PROCEDIMENTO GLOBAL PARA A AVALIAÇÃO TÉCNICA DA
COMPENSAÇÃO REATIVA...............................................................................119
4.1. Considerações Iniciais..........................................................................................119
4.2. Procedimento Global para a Avaliação Técnica...................................................120
4.3. Aplicação do Procedimento Global ......................................................................125
4.4. Procedimento Otimizado Expandido....................................................................141
4.5. Considerações Finais...........................................................................................146

5. CONCLUSÕES E PROPOSTAS DE CONTINUIDADE......................................147

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS.......................................................................149

APÊNDICE A – ESTABILIDADE DE TENSÃO – DEFINIÇÕES DE INTERESSE 159
A.1. Definições de Interesse...........................................................................................159
A.2. Análise de Sensibilidade – Barras Candidatas.......................................................161

APÊNDICE B – TRANSITÓRIOS ELETROMAGNÉTICOS –
ESTUDOS COMPLEMENTARES..................................................164
B.1. Definições de Termos Utilizados no Texto..............................................................164
B.2. Barras Críticas de Transitórios Eletromagnéticos...................................................165
B.3. Simulações de Chaveamento de Capacitores – Resultados Adicionais.................172
B.4. Modelagem Utilizada na Simulação dos Transitórios.............................................178

APÊNDICE C – ESTUDOS BÁSICOS SOBRE HARMÔNICOS............................180

APÊNDICE D – RESTRIÇÕES IMPOSTAS PELO SETOR ELÉTRICO ................190
D.1. Tensão em Regime Permanente............................................................................190
D.2 Fator de Potência .................................................................................................191
D.3. Distorção Harmônica...............................................................................................192
D.4. Recomendação IEEE para Práticas e Requisitos para Controle de Harmônicas
no Sistema Elétrico de Potência: IEEE-519.............................................................194
vii
Lista de Tabelas
Capítulo 2
Tabela 2.1. Distorção da corrente de algumas cargas [Arentz 03].......................................................................44
Tabela 2.2. Comparação entre filtros ativos e passivos [Izhar 03].......................................................................53
Capítulo 3
Tabela 3.1. Dados do sistema elétrico exemplo...................................................................................................60
Tabela 3.2. Resultados do cálculo do vetor tangente...........................................................................................61
Tabela 3.3. Compensação reativa sugerida (Mvar) para cada ano de planejamento...........................................64
Tabela 3.4. Fator de potência das barras em cada ano de planejamento............................................................64
Tabela 3.5. Tensões das barras em cada ano de planejamento..........................................................................64
Tabela 3.6. Parâmetros de estabilidade de tensão da barra B12 em cada ano de planejamento........................66
Tabela 3.7. Compensação reativa necessária para se atingir a tensão desejada no ano 7.................................67
Tabela 3.8. Compensação reativa necessária para se atingir o fator de potência desejado no ano 7.................68
Tabela 3.9. Alteração da compensação reativa no ano 7.....................................................................................68
Tabela 3.10. Limites de compensação reativa para a alteração do ano 9............................................................69
Tabela 3.11. Alteração da compensação reativa no ano 9...................................................................................69
Tabela 3.12. Limites de compensação reativa para a alteração do ano 10..........................................................70
Tabela 3.13. Alteração da compensação reativa no ano 10.................................................................................70
Tabela 3.14. Nova compensação reativa (Mvar) e parâmetros de estabilidade de tensão para cada ano de
planejamento.....................................................................................................................................71
Tabela 3.15. Resultados da análise de sensibilidade do WANAREDE-GRF.......................................................72
Tabela 3.16. Variação da tensão (em pu) das barras da primeira coluna com a alocação de 1 Mvar nas da
primeira linha.....................................................................................................................................72
Tabela 3.17. Parâmetros de estabilidade de tensão no ano 10 para diferentes barras candidatas.....................73
Tabela 3.18. Escolha de B4 como barra candidata comparada à seleção de B3 e B5........................................74
Tabela 3.19. Parâmetros de estabilidade de tensão no ano 10 para várias alternativas de CR..........................74
Tabela 3.20. Resultados do cálculo do vetor tangente para o ano 10..................................................................75
Tabela 3.21. Margem de potência reativa, MET e TPC no ano 10 para várias alternativas de CR......................75
Tabela 3.22. Perdas elétricas e carregamento de linhas para várias alternativas de CR.....................................77
Tabela 3.23. Coeficientes de reflexão e refração do circuito da figura 3.12.........................................................82
Tabela 3.24. Limites de sobretensão e sobrecorrente para 400 manobras por ano.............................................84
Tabela 3.25. Dados do sistema elétrico exemplo.................................................................................................86
Tabela 3.26. Dados dos níveis de carga (leve, média e pesada) e sua CR sugerida..........................................86
Tabela 3.27. Dados de linha e carga do circuito simplificado da figura 3.16 para o cálculo dos
coeficientes da tabela 3.28................................................................................................................87
Tabela 3.28. Coeficientes de reflexão e refração do sistema elétrico exemplo....................................................87
Tabela 3.29. Classificação das barras pelos índices C ...................................................................................88
i total
Tabela 3.30. Tensões e fatores de potência nas barras com a compensação sugerida inicialmente e com a
modificada.........................................................................................................................................95
viii
Tabela 3.31. Dados do sistema elétrico exemplo................................................................................................106
Tabela 3.32. Distorções totais de cada barra e DHI e DHT globais e seus limites...........................................109
V V
Tabela 3.33. Fatores de potência das barras com a presença de harmônicos...................................................109
Tabela 3.34. Valores de r para cada barra na 5ª, 6ª e 9ª ordens harmônicas..................................................110
lim
Tabela 3.35. Distorções totais de cada barra e DHI e DHT globais e seus limites depois da alteração do
V V
plano de expansão............................................................................................................................111
Tabela 3.36. Fatores de potência das barras com a presença de harmônicos depois da alteração do
plano de expansão............................................................................................................................112
Tabela 3.37. Tensões e FP das barras com a CR sugerida inicialmente e com a modificada............................113
Tabela 3.38. Resultados de compensação reativa dos procedimentos individuais.............................................115
Tabela 3.39. Perdas elétricas para as CRs indicadas para cada avaliação técnica e para a CR Final...............117
Capítulo 4
Tabela 4.1. Dados iniciais e a CR sugerida pela alteração feita na avaliação técnica de
estabilidade de tensão......................................................................................................................126
Tabela 4.2. Dados de entrada para a AVT..........................................................................................................126
Tabela 4.3. Dados dos níveis de carga do sistema elétrico exemplo no ano 10 e sua CR Sugerida..................127
Tabela 4.4. CR Modificada pela AVT que corresponde aos dados de entrada da AVH......................................131
Tabela 4.5. Dados de entrada da AVH................................................................................................................131
Tabela 4.6. Distorções totais de cada barra e DHI e DHT globais e seus limites.............................................133
V V
Tabela 4.7. Capacitores indesejados para cada conjunto de compensação reativa em carga média.................134
Tabela 4.8. Distorções totais de cada barra e DHI e DHT globais e seus limites para CR Média 1.................135
V V
Tabela 4.9. Capacitores indesejados para cada conjunto de compensação reativa em carga pesada...............136
Tabela 4.10. Restrições de mínimo (CRharm1) e máximo (CRharm2) de compensação reativa (em Mvar)
da AVH.............................................................................................................................................139
Tabela 4.11. CR do passo ii para níveis de carga para o ano 10........................................................................139
Tabela 4.12. Compensações reativas sugeridas para cada avaliação técnica do passo ii para o ano 10..........140
Tabela 4.13. Perdas elétricas e carregamento de linhas para as CR sugeridas após as avaliações técnicas....140
Tabela 4.14. Restrições de máximo e mínimo de compensação reativa (em Mvar) para cada
avaliação técnica e para os limites resultantes.................................................................................143
Tabela 4.15. Restrições de tensão máxima e mínima para cada barra...............................................................144
Tabela 4.16. Tensão e compensação reativa das barras após a otimização......................................................144
Tabela 4.17. Comparação das perdas elétricas e carregamento de linhas para as CR sugeridas neste texto...145
Tabela 4.18. CR OTM Final para níveis de carga para o ano 10........................................................................145
Apêndice A
Tabela A.1. Resultados do exemplo da análise de sensibilidade........................................................................162
Apêndice B
Tabela B.1. Coeficientes de reflexão e refração do circuito da figura B.1...........................................................169
Tabela B.2. Parâmetros que atingem maiores valores de ST e SC....................................................................175
Tabela B.3. Resultados das simulações descritas anteriormente.......................................................................177
ix
Apêndice D
Tabela D.1. Limites para os valores de tensão de nível igual ou superior a 230 kV............................................190
Tabela D.2. Limites para os valores de tensão de nível igual ou superior a 69 kV e inferior a 230 kV................191
Tabela D.3. Limites para os valores de tensão de nível igual ou superior a 1 kV e inferior a 69 kV....................191
Tabela D.4. Fator de Potência Operacional nos pontos de conexão...................................................................191
Tabela D.5. Limites globais de tensão expressos em porcentagem da tensão fundamental..............................193
Tabela D.6. Limites individuais expressos em porcentagem da tensão fundamental..........................................193
Tabela D.7. Limites de distorção da corrente para sistemas de distribuição (120 V a 69 kV).............................195
Tabela D.8. Limites de distorção da corrente para sistemas de sub-distribuição (69001 V a 161 kV)................195
Tabela D.9. Limites de distorção de corrente para sistemas de alta tensão (>161kV) e sistemas de geração
e co-geração isolados.......................................................................................................................195