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ESTUDO DE FLUXO DE CARGA
Weslley da Silva Oliveira – weslley@unifesspa.edu.br UNIFESSPA – Universidade Federal do Sul e Sudeste do Pará Marabá – PA Jean Charles Cortes Ferreira – jeancharles_pa@hotmail.com UNIFESSPA – Universidade Federal do Sul e Sudeste do Pará Marabá – PA Resumo: Este documento apresenta estudo do fluxo de carga de um sistema elétrico de potência que possui 8 barras, sistema base. O estudo do fluxo foi realizado utilizando o software Powerword, no qual foi imposto algumas situações, contingências, que foram analisadas e corrigidas a partir de algumas manobras no sistema com intenção de deixa-lo funcionando com condições aceitáveis. O sistema base possuía como bases a tensão de V=138KV e a potência aparente de S=100MVA. Palavras-chave: Powerword. Contingência. Correção. 1 INTRODUÇÃO Os sistemas elétricos de potência têm a função de fornecer energia elétrica aos usuários com qualidade adequada e no instante em que for solicitada (SALOME NETO, 20 07 ), em razão disto, e da característica dinâmica do sistema, necessita-se de estudo de fluxo de cargas e manobras no mesmo, para que este fique em condições adequadas de funcionamento e possa ser eficiente. O Cálculo de fluxo de cargas é utilizado para permitir a determinação do estado das tensões, ângulo, fase e algumas outras grandezas de interesse do sistema elétrico (PURGER, 2013 ), este estudo viabilizar prevê o comportamento do sistema em diversas situações e a intervenção no mesmo. 2 ASPECTOS GERAIS A partir dos dados das tabelas apresentadas a seguir foi montado o sistema base para análise de fluxo de carga, com averiguações dos níveis de tensões nas barras, sabendo que estas deviam estar dentro dos limites de 0,95 pu e 1,05 pu, das cargas nos transformadores e nas linhas de transmissões.
Tabela 01 – Dados das barras do sistema elétrico Fonte: Material disponibilizado pelo professor. Figura 02 – Dados da capacidade de geração Fonte: Material disponibilizado pelo professor. Figura 03 – Dados dos ramos Fonte: Material disponibilizado pelo professor. O sistema montado no powerword , a partir dos dados apresentados, é mostrado na figura a seguir. Figura 01 – Sistema elétrico de potência base Fonte: Acervo do autor
3%) e na Barra 6, houve diminuição da potência ativa em 4MW (correspondendo 12,5%) e 7Mvar (correspondendo 46,6%) na reativa. Isso resultou no sistema apresentado na figura 3, no qual não há sobre cargas e os níveis de tesão estão dentro dos limites esperados, como é observável na figura 4. Figura 04 - Níveis de tensão após correção do sistema Fonte: Acervo do autor 3 CONTINGÊNCIAS 2.1 Contingência 1: Desligamento entre as linhas (3-4). Com o desligamento da linha observou-se sobrecarga no transformador conectado entre a barra 8 e a barra 7, além de sobrecarga na linha entre as barras 7 e 6, que ficou sendo a única ligação entre as cargas e os gerados das barras 8 e 2. Figura 04 - Consequências da contingência 1 Fonte: Acervo do autor
Na tentativa de solucionar os problemas foram realizadas as seguintes manobras: Diminuiu-se a potência do gerador conectado a barra 8 e a barra 2, com intenção de diminuir o fluxo de potência pela linha entre as barras 6 e 7. A diminuição foi em 13% no Gerador da barra 8 e de 15 % no do Gerador da Barra 2. Com o ERAC (Esquema Regional de Alívio de Carga), foi realizado o corte de carga em duas barras com intenção de diminuir a demanda por fluxo de potência pelas linhas entre as barras 6 e 7, e entre a barra de referência e a barra 4. Os valores de diminuição das cargas para alívio do sistema foram de 28MW para 25MW, redução em 12%, e de 8MVAR para 5MVAR, redução de 37,5%, na barra 6 , de 29MW para 2 8 MW na barra 5, uma redução de 3,44%. Com essas intervenções o sistema ficou com as características mostrada na figura a seguir. Figura 05 – Sistema de potência após correções para contingência 1 Fonte: Acervo do autor Os níveis de tensão ficaram dentro do exigido, como é apresentado na figura 6, sem extrapolar os limites de gerações dos geradores. Figura 06 - Níveis de tensão após contingência 1 Fonte: Acervo do autor
Figura 08 – resultados de manobras após contingência 2 Fonte: Acervo do autor Os níveis de tensão do sistema após as manobras para manter o sistema estável são apresentados na figura a seguir. Figura 09 - Níveis de tensão após manobras da contingência 2 Fonte: Acervo do autor 2.3 Contingência 3: Desligamento entre as linhas (7-6) e (2-3). Na contingência 3 foi realizado o desligamento das linhas de transmissão entre as barras 7 e 6 e entre as barras 2 e 3. As consequências desta contingência são apresentadas na figura
Para solucionar as sobrecargas do sistema foi realizado modificações na potência de geração do gerador da barra 8, redução de 9% na potência ativa. Foi necessário também modificação no tap do transformador para correção do nível de tensão da barra 8, e ainda cortes de cargas para alívio das linhas de transmissão. Após os cortes de carga, as cargas do sistema ficaram em 17MW e 3MVAR, redução em 43,4% e 75% respectivamente na barra 5 e 15MW e 3MVAR na barra 6, redução de 46% e 63% respectivamente. O sistema após as correções é mostrado na figura 11.
Figura 10 – Resultado da contingência 3 Fonte: Acervo do autor Figura 11 – Sistema da contingência 3 após manobras de correção. Fonte: Acervo do autor Os níveis de tensão ficaram dentro dos limites estabelecidos e são apresentados na figura
Figura 12 - Níveis de tensão após correções da contingência 3 Fonte: Acervo do autor
Para que o problema pudesse ser sanado, primeiramente aumentou-se a potência fornecida pelo gerador da barra 2, porém não foi o suficiente. Portanto precisou-se alterar os valores das cargas nos barramentos, reduzindo-as. Nas barras 5 e 6, foram reduzidas quase metade das cargas. Entretanto, se pôde aumentar a carga na barra, mantendo o sistema em equilíbrio. Seus resultados podem ser observados na figura 14. Os níveis de tensão nas linhas foram mantidos dentro do desejado, portanto o problema deu-se como resolvido. Seus valores podem ser observados na figura 15. Figura 15 – Níveis de tensão nos barramentos. Fonte: Acervo do autor 2.5 Contingência 5: Aumento de carga (50%) no barramento 4. Na contingência 5 foi elevado em 50% o valor da carga no barramento 4, e como consequência houve sobrecarga no transformador entre a barra de referência e a barra 4, como mostrado na figura 16. Figura 16 – Resultado da contingência 5, aumento de carga. Fonte: Acervo do autor Para extingui a sobrecarga no ramo entre o barramento de referência e a barra 4, aumentou-se a potência ativa fornecida pelo gerador da barra 8, de 23MW para 24MW, que corresponde a um aumento de 4%, reduziu-se a carga ativa do barramento 6, de 28MW para
24MW, redução de 14%, e do barramento 5, de 29MW para 25MW, redução em 14%, e de 12MVAR para 7MVAR, redução em 42%. Figura 17 – Resultados das correções na contingência 5. Fonte: Acervo do autor Os níveis de tensão após as correções da contingência são apresentados na figura 15 e estão entre 0,95pu e 1,05pu. Figura 1 8 - Níveis de tensão após correções da contingência 5. Fonte: Acervo do autor 2.6 Contingência 6 : Aumento de carga (75%) no barramento 6. Com o aumento da carga em 75% no barramento 6 ocorreu um sobrecarregamento em quase todas as linhas e transformadores, mais especificamente nas linhas entre os barramentos ( 4 - 5) e (7-6) e nos transformadores, da barra de referência com a barra 4, e da barra 7 com a barra 8. O que pode ser conferido na figura
fim, reduziu-se a geração de energia elétrica do gerador da barra 8 para que a linha (7-6) pudesse ser mantida sem sobrecarga. O resultado de tais ações pode ser observado na figura 20. Os valores de tensão nos barramentos seguiram conforme o desejado e podem ser visualizados na figura 21. Figura 21 – Valores de tensão nos barramentos após solução de problema. Fonte: Acervo do autor. 2.7 Contingência 7: Para o sistema elétrico em estudo, executou-se um estudo de fluxo de carga DC para 5 anos seguinte, a partir do caso base, admitindo um crescimento uniforme das cargas de 6% ao ano, para todas as subestações. Verifique nos resultados as aberturas angulares e se as capacidades de geração e de transmissão das linhas e transformadores serão ultrapassadas. Comente todos os resultados. (apagar essa parte) Ano 1 No primeiro ano do aumento gradual da carga em 6%, com arredondamento para o inteiro mais próximo, na análise de fluxo dc, houve sobrecarga em 2% na linha de transmissão entre as barras 7 e 6, e de 9% no transformador entre a barra de referência e a barra 4, Figura
- E os dados das tensões são apresentados na figura 17. As correções realizadas em busca da estabilidade do sistema foi a inclusão de uma barra PV, na qual foi incluida um gerador com potência ativa de 20MW, essa barra foi conectada a barra 6 através de uma linha de transmissão com resistência igual a 0,004Ω, reatância igual a 0,2Ω e a shunt charging igual a 0,2. Conforme presume-se do conceito de análise dc em sistemas de potência o fluxo de potência é dado pela abertura dos ângulos de tênsão. Onde o fluxo vai do maior ângulo para o menor. É observavél analisando-se as figuras do esquema do sistema e a dos valores de tensão e ângulos do sistema, figuras 17 e 18, respectivamente. Além da diminuição das potencias de geração dos geradores do barramento 2 e 8, com intenção de aliviar os transformadores destes barramentos Figura 17 – Dados do sistema com o aumento das cargas em 6% Fonte: Acervo do autor
Figura 16 – Resultado do aumento em 6% nas cargas Fonte: Acervo do autor. Figura 17 – Sistema após inclusão do gerador Fonte: Acervo do autor
Figura 20 – Dados de tensões e ângulos do sistema Fonte: Acervo do Autor Ano 3 Com mais um aumento de apróximadamente 6% nas cargas do sistema em relação ao ano anterior, o que corresponde a apróximadamente um aumento de 18% em relação ao sistema base corrigido, o sistema apresentou demanda de fluxo de potencia de 92% da capacidade de funcionamento do transformador entre as barras referência e a barra 4, além de demanda de 91% da capacidade de condução de corrente da linha de trasmissão entre as barras 6 e 7, figura a seguir. Figura 21 – Aumento de carga de 6% em relação ao ano 2 Fonte: Acervo do Autor Com intensão de otimizar o sistema e deixa-lo funcionando em condições mais adequadas, realizou-se o aumento na potencia de geração do gerador do barramento 9, para aliviar a linha entre as barras 7 e 6. E aumentou-se também a potencia de geração do gerador conectado ao barramento 2, de 18MW para 19MW, aumentode 5,2%. Isso com intenção de aliviar o transformador entre o barramneto de referência e a barra 4. Consequências das manobras é apresentado na figura 22.
Figura 22 – Sistema no ano 3, após manobras para otimização do fluxo de potência no sistema Fonte: Acervo do Autor Figura 23 – Dados de tensões e ângulos do sistema SEP Fonte: Acervo do Autor Ano 4 O aumento de 6% referente ao ano 4, que corresponde a 24% no total conforme o aumento gradual, não trouxe problemas para a transmissão de energia elétrica para quaisquer dos componentes presentes no circuito. Isto pode ser observado na figura 24.
Para que se pudesse resolver essa situação foi necessário aumentar a geração de dois geradores, da barra 2 e da barra 8, para 20 e 21MW respectivamente. Com isso, o sistema voltou a estabilidade, como mostra a figura 26. Figura 26– Circuito após aumento na geração dos geradores das barras 2 e 8.. Fonte: Acervo do Autor 4 CONSIDERAÇÕES FINAIS Os desafios nas resoluções das contingências se pareceram muitos grandes em alguns momentos, o que nos mostra a gravidade em uma situação real. Contudo, com os resultados obtidos e com a ajuda do software, foi possível obter um rendimento e um aprendizado satisfatório para o aproveitamento da disciplina de Sistemas de Energia Elétrica e para a carreira de um engenheiro eletricista. REFERÊNCIAS PUGER, Elson Batista. Fluxo de carga não-iterativo para a análise de sistemas de distribuição de energia elétrica radiais e malhados. – Ilha Solteira: [s.n.], 2013 150 f. : il. Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual Paulista. Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira. São Paulo, 2013
SALOME NETO, Rodolfo. Estudos de fluxo de carga no sistema de transmissão da companhia paulista de força e luz (CPFL). São Carlos, 2007 : Trabalho de conclusão de curso
- Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade de São Paulo, 2007
