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UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ<br />
DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELETROTÉCNICA<br />
CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA<br />
ALYNE NOGUEIRA JUSTI<br />
FELIPE DANIEL MAZZA<br />
LUCIANA RINALDI FOGAÇA<br />
ANÁLISE ESTÁTICA DO PONTO DE COLAPSO DE TENSÃO<br />
ATRAVÉS DO MÉTODO DO FLUXO DE POTÊNCIA CONTINUADO<br />
TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO<br />
CURITIBA<br />
2013
ALYNE NOGUEIRA JUSTI<br />
FELIPE DANIEL MAZZA<br />
LUCIANA RINALDI FOGAÇA<br />
ANÁLISE ESTÁTICA DO PONTO DE COLAPSO DE TENSÃO<br />
ATRAVÉS DO MÉTODO DO FLUXO DE POTÊNCIA CONTINUADO<br />
Proposta de Trabalho de Conclusão de<br />
Curso de Graduação, apresenta<strong>do</strong> à<br />
disciplina de Meto<strong>do</strong>logia Aplicada ao<br />
TCC, <strong>do</strong> Curso de Engenharia Elétrica<br />
<strong>do</strong> Departamento de Eletrotécnica<br />
(DAELT) da Universidade Tecnológica<br />
Federal <strong>do</strong> Paraná (<strong>UTFPR</strong>), como<br />
requisito parcial para obtenção <strong>do</strong> título<br />
de Engenheiro Eletricista.<br />
Orienta<strong>do</strong>r: Prof. Dr. Raphael Augusto<br />
de Souza Benedito.<br />
CURITIBA<br />
2013
LISTA DE FIGURAS<br />
Figura 01 – Representação da curva PV com ênfase no “nariz” da curva .................. 5<br />
Figura 02 – Classificação da estabilidade de um sistema de potência ....................... 6
LISTA DE SIGLAS<br />
SEP<br />
Sistema Elétrico de Potência
SUMÁRIO<br />
1. INTRODUÇÃO ................................................................................................. 4<br />
1.1 TEMA ................................................................................................................ 4<br />
1.1.1 Delimitação <strong>do</strong> Tema ........................................................................................ 4<br />
1.2 PROBLEMAS E PREMISSAS .......................................................................... 6<br />
1.3 OBJETIVOS ...................................................................................................... 7<br />
1.3.1 Objetivo Geral ................................................................................................... 7<br />
1.3.2 Objetivos Específicos........................................................................................ 7<br />
1.4 JUSTIFICATIVA ................................................................................................ 8<br />
1.5 PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS ......................................................... 8<br />
1.6 ESTRUTURA DO TRABALHO ....................................................................... 10<br />
1.7 CRONOGRAMA ............................................................................................. 10<br />
REFERÊNCIAS ......................................................................................................... 11
4<br />
1. INTRODUÇÃO<br />
Desde a revolução industrial, a demanda e o consumo de energia crescem<br />
continuamente. O vasto ramo <strong>do</strong> suprimento de energia elétrica traz consigo<br />
diversos desafios àqueles responsáveis pelo planejamento <strong>do</strong> sistema, desde a<br />
geração até a distribuição. Uma operação de sucesso depende amplamente da<br />
habilidade de fornecimento confiável e contínuo. Segun<strong>do</strong> Anderson e Fouad (2003,<br />
p. 3), na teoria, as cargas deveriam ser alimentadas com tensão e frequência<br />
constantes durante to<strong>do</strong> o tempo. Na prática, trabalha-se para manter as tensões e<br />
frequências dentro de limites de tolerância a fim de que os equipamentos <strong>do</strong>s<br />
consumi<strong>do</strong>res possam operar de maneira satisfatória. Outro fator atrela<strong>do</strong> à<br />
qualidade <strong>do</strong> fornecimento é a continuidade <strong>do</strong> serviço. Este ponto fica ainda mais<br />
evidente quan<strong>do</strong> se tratam de Sistemas Elétricos de Potência (SEPs) altamente<br />
interliga<strong>do</strong>s, onde um blecaute tem o potencial de se estender às regiões vizinhas.<br />
Partin<strong>do</strong> <strong>do</strong> pressuposto de que a operação deve ser contínua, Martins (2000,<br />
p.1) ressalta que é fundamental aos engenheiros dispor de ferramentas que<br />
permitam prever a ocorrência de situações que venham a comprometer o bom<br />
funcionamento de um SEP. Entre estas, figura a instabilidade de tensão, fenômeno<br />
que representa um mecanismo de falha de um sistema e será objeto de estu<strong>do</strong><br />
deste trabalho.<br />
1.1 TEMA<br />
Análise de colapso de tensão devi<strong>do</strong> ao aumento <strong>do</strong> carregamento em um<br />
sistema elétrico de potência.<br />
1.1.1 Delimitação <strong>do</strong> Tema<br />
Segun<strong>do</strong> artigo <strong>do</strong> IEEE e <strong>do</strong> CIGRÉ (2004, p. 1390), a estabilidade de<br />
tensão é definida como a capacidade de um SEP em manter os perfis adequa<strong>do</strong>s de<br />
tensão, em operação normal ou até mesmo após a ocorrência de perturbações. De<br />
acor<strong>do</strong> com Oliveira (2008, p. 1), quan<strong>do</strong> a condição anterior não é satisfeita,<br />
verifica-se o fenômeno da instabilidade de tensão. Como consequência, observa-se<br />
redução progressiva da tensão em uma ou mais barras <strong>do</strong> sistema, poden<strong>do</strong>
5<br />
estender-se para regiões vizinhas e resultar em um colapso parcial ou total <strong>do</strong><br />
sistema se não forem tomadas medidas corretivas.<br />
O estu<strong>do</strong> da instabilidade de tensão pode ser feito sob duas óticas: a análise<br />
estática ou a dinâmica. Martins (2000, p. 2) ressalta que, na análise de colapso, os<br />
distúrbios mais severos e abruptos não são considera<strong>do</strong>s, focan<strong>do</strong>-se a análise no<br />
aumento gradual da demanda. Este aumento é lento em relação à dinâmica <strong>do</strong>s<br />
demais componentes <strong>do</strong> sistema, sen<strong>do</strong> considera<strong>do</strong> quase estático. Dessa<br />
maneira, considera-se que o sistema atinge o regime permanente após cada<br />
incremento de carga. Assim, é possível efetuar o estu<strong>do</strong> <strong>do</strong> colapso de tensão<br />
através de uma análise estática. Sauer et al. (1990 apud SANTOS, 2008, p. 46) e<br />
Morison et al. (1993 apud SANTOS, 2008, p. 46) “mostram, sob certas<br />
considerações, que a análise <strong>do</strong> problema através das abordagens estáticas ou<br />
dinâmicas levam a resulta<strong>do</strong>s semelhantes”.<br />
Como explicita<strong>do</strong> anteriormente, neste trabalho, pretende-se estudar o<br />
fenômeno <strong>do</strong> colapso de tensão em decorrência <strong>do</strong> aumento da carga. Este objetivo<br />
será atingi<strong>do</strong> por meio de análise estática através da aplicação <strong>do</strong> méto<strong>do</strong> <strong>do</strong> fluxo<br />
de carga continua<strong>do</strong>, culminan<strong>do</strong> na representação da operação estável de um SEP<br />
através da porção superior de uma curva PV. Segun<strong>do</strong> Santos (2008, p.47):<br />
A parte da curva que corresponde à região de operação estável é aquela<br />
onde as tensões são superiores à tensão correspondente ao “nariz” da<br />
curva PV. A parte da curva que corresponde a região de operação instável é<br />
aquela em que as tensões são inferiores à tensão correspondente ao “nariz”<br />
da curva PV.<br />
Figura 01 – Representação da curva PV com ênfase no “nariz” da curva<br />
Fonte: Santos (2008, p.47).
6<br />
O “nariz” da curva PV representa o ponto de colapso de tensão, o qual foi<br />
anteriormente menciona<strong>do</strong>.<br />
1.2 PROBLEMAS E PREMISSAS<br />
A operação bem sucedida de um sistema de potência depende fortemente da<br />
habilidade <strong>do</strong>s engenheiros de fornecer um serviço confiável e sem interrupções às<br />
cargas (ANDERSON; FOUAD, 2003, p. 3).<br />
Segun<strong>do</strong> Guerra (2009, p. 15), esta operação bem sucedida depende de<br />
alguns requisitos básicos, sen<strong>do</strong> o cita<strong>do</strong> a seguir um <strong>do</strong>s que recebe maior<br />
destaque: “A qualidade no suprimento de energia deve atender um desempenho<br />
mínimo em relação à variação de freqüência, à variação de tensão e ao nível de<br />
confiabilidade.”<br />
Assim, para a obtenção um desempenho mínimo com relação à variação de<br />
tensão, o SEP deve ser considera<strong>do</strong> estável.<br />
Segun<strong>do</strong> Machowski et al. (2008, p.9, traduzi<strong>do</strong>): “Estabilidade de um sistema<br />
de potência é entendida como a habilidade de retomar um esta<strong>do</strong> de equilíbrio após<br />
ser submeti<strong>do</strong> a uma perturbação física 1 ”.<br />
Tem-se ainda que a estabilidade de um sistema de potência pode ser dividida<br />
em subitens, os quais são mostra<strong>do</strong>s na figura 2.<br />
Figura 02 – Classificação da estabilidade de um sistema de potência<br />
Fonte: Machowski et al. (2008, p. 9, traduzi<strong>do</strong>).<br />
1<br />
“Power system stability is understood as the ability to regain an equilibrium state<br />
after being subjected to a physical disturbance” (MACHOWSKI et al., 2008, p.9).
7<br />
Como descrito anteriormente na delimitação <strong>do</strong> tema, o foco deste trabalho é<br />
o colapso de tensão em decorrência <strong>do</strong> aumento de carga. Sen<strong>do</strong> assim, dentro <strong>do</strong><br />
item de estabilidade <strong>do</strong> sistema, pretende-se analisar mais especificamente a parte<br />
relativa à tensão, mesmo na presença de pequenas perturbações.<br />
Para Oliveira (2005, p.2), pequenas perturbações <strong>do</strong> sistema correspondem<br />
a variação normal da carga, já entre as grandes perturbações estão lista<strong>do</strong>s<br />
fenômenos como curto-circuitos, desligamentos de linhas de transmissão ou<br />
transforma<strong>do</strong>res, entre outros. Ele afirma também que “a instabilidade de tensão<br />
causada por pequenas perturbações [...] está associada aos limites de máxima<br />
transferência de potência reativa na área afetada” (OLIVEIRA, 2005, p.2).<br />
1.3 OBJETIVOS<br />
1.3.1 Objetivo Geral<br />
Aplicar o méto<strong>do</strong> <strong>do</strong> fluxo de potência continua<strong>do</strong> a sistemas elétricos de<br />
potência simples de forma a entender os efeitos da variação <strong>do</strong> carregamento,<br />
traçan<strong>do</strong>, posteriormente, a curva PV <strong>do</strong> mesmo de maneira a estimar o ponto onde<br />
é observa<strong>do</strong> o colapso de tensão.<br />
1.3.2 Objetivos Específicos<br />
Além <strong>do</strong> objetivo principal, uma série de outras atividades serão<br />
desenvolvidas durante o trabalho, são estas:<br />
Definir os conceitos de estabilidade de tensão em um sistema elétrico<br />
de potência;<br />
Compreender o méto<strong>do</strong> <strong>do</strong> fluxo de potência continua<strong>do</strong>;<br />
Estudar o fenômeno <strong>do</strong> colapso de tensão;<br />
Modelar matematicamente sistemas elétricos;<br />
Aplicar o méto<strong>do</strong> <strong>do</strong> fluxo de potência continua<strong>do</strong> nos sistemas<br />
previamente descritos;<br />
Traçar as curvas PV resultantes <strong>do</strong> fluxo de potência na região de<br />
operação estável <strong>do</strong>s SEP;
8<br />
<br />
<br />
Encontrar o “nariz” da curva PV, o qual define o ponto de colapso de<br />
tensão e o carregamento crítico.<br />
Estudar o méto<strong>do</strong> <strong>do</strong> fluxo de potência continua<strong>do</strong> para a determinação<br />
da porção instável da curva PV, bem como o méto<strong>do</strong> Look-Ahead.<br />
1.4 JUSTIFICATIVA<br />
Saben<strong>do</strong> que os sistemas de potência têm si<strong>do</strong> opera<strong>do</strong>s cada vez mais<br />
próximos de seus limites de carregamento, devi<strong>do</strong> a limitações econômicas e<br />
ambientais, é de extrema importância o conhecimento de seus limiares estáveis e<br />
seguros de operação.<br />
Sociedades com demandas crescentes de energia contam com um sistema<br />
complexo de geração e distribuição, com grandes extensões de redes interligadas.<br />
Caso o ponto de máximo carregamento <strong>do</strong> sistema seja ultrapassa<strong>do</strong>, podem<br />
ocorrer blecautes parciais ou totais, o que pode significar uma catástrofe energética.<br />
Dito isto, ressalta-se que a construção da curva PV de um sistema de<br />
potência permite conhecer o ponto de colapso de tensão (ponto de bifurcação da<br />
curva PV), possibilitan<strong>do</strong> ao opera<strong>do</strong>r <strong>do</strong> sistema visualizar o quão próximo <strong>do</strong><br />
colapso a operação está. Desta maneira, pode-se prever e controlar possíveis falhas<br />
no sistema.<br />
1.5 PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS<br />
De maneira a facilitar o andamento <strong>do</strong> projeto e, ten<strong>do</strong> em vista os objetivos<br />
previamente estabeleci<strong>do</strong>s, foram definidas as seguintes etapas a serem<br />
completadas.<br />
Etapa 1 - Pesquisa Bibliográfica<br />
A primeira etapa destina-se ao entendimento <strong>do</strong>s temas a serem aborda<strong>do</strong>s<br />
ao longo deste trabalho acadêmico. Esta compreensão será alcançada por meio de<br />
abrangente pesquisa bibliográfica, com base no acervo da biblioteca da<br />
Universidade Tecnológica Federal <strong>do</strong> Paraná e na bibliografia indicada pelo
9<br />
professor orienta<strong>do</strong>r. Apesar da maior densidade na fase inicial, a pesquisa<br />
bibliográfica se estenderá ao longo de to<strong>do</strong> o projeto.<br />
Etapa 2 – Aplicação <strong>do</strong> méto<strong>do</strong> <strong>do</strong> fluxo de potência através da<br />
modelagem estática de SEPs<br />
Segun<strong>do</strong> Monticelli (1983, p.1), a modelagem <strong>do</strong> sistema elétrico para o<br />
cálculo <strong>do</strong> fluxo de potência é estática, significan<strong>do</strong> que a rede é representada por<br />
um conjunto de equações e inequações algébricas. Com o auxílio de softwares<br />
matemáticos e, consideran<strong>do</strong> uma modelagem estática de um SEP, será aplica<strong>do</strong> o<br />
méto<strong>do</strong> <strong>do</strong> fluxo de potência continua<strong>do</strong>. Os sistemas algébricos decorrentes da<br />
modelagem serão resolvi<strong>do</strong>s por meio <strong>do</strong> méto<strong>do</strong> de Newton-Raphson.<br />
Etapa 3 – Construção da curva PV<br />
Neste estágio, será avaliada a característica de tensão nas barras <strong>do</strong><br />
sistema em função de um acréscimo constante de potências ativa ΔP e reativa ΔQ<br />
durante toda a região de operação estável <strong>do</strong> sistema.<br />
Etapa 4 – Estimação <strong>do</strong> ponto de colapso de tensão e <strong>do</strong> carregamento<br />
crítico <strong>do</strong> sistema<br />
Partin<strong>do</strong> da curva PV, será estima<strong>do</strong> o ponto de colapso de tensão <strong>do</strong><br />
sistema, no limiar entre as soluções estáveis e instáveis <strong>do</strong> sistema em questão.<br />
Este ponto também define a situação de máximo carregamento.<br />
Etapa 5 – Estu<strong>do</strong> de outros méto<strong>do</strong>s<br />
Além <strong>do</strong> méto<strong>do</strong> utiliza<strong>do</strong> para a determinação da porção estável da curva<br />
PV, pretende-se estudar o mesmo méto<strong>do</strong> para a determinação da porção instável<br />
(de mo<strong>do</strong> similar ao desenvolvi<strong>do</strong> em Martins (2000)) e também o méto<strong>do</strong> Look-<br />
Ahead, desenvolvi<strong>do</strong> por Chiang et al. (2004), o qual apresenta outra forma de<br />
estimar <strong>do</strong> ponto de máximo carregamento de um sistema.
10<br />
Etapa 6 - Documentação<br />
Esta etapa conclui o projeto, reunin<strong>do</strong> todas as informações pertinentes<br />
levantadas durante as etapas prévias. Serão <strong>do</strong>cumenta<strong>do</strong>s to<strong>do</strong>s os resulta<strong>do</strong>s<br />
obti<strong>do</strong>s, tanto da pesquisa quanto da aplicação <strong>do</strong> méto<strong>do</strong> e análises.<br />
1.6 ESTRUTURA DO TRABALHO<br />
Ten<strong>do</strong> em vista os objetivos descritos nesta proposta, bem como as etapas<br />
definidas no item anterior, a estrutura <strong>do</strong> trabalho será da seguinte maneira:<br />
Capítulo 1: Introdução ao tema, proposta de trabalho e definição de<br />
objetivos.<br />
Capítulo 2: Revisão bibliográfica e preparação da fundamentação teórica<br />
sobre estabilidade de tensão, colapso de tensão, modelagem de SEPs e sobre o<br />
méto<strong>do</strong> <strong>do</strong> fluxo de carga continua<strong>do</strong> com resolução através de Newton-Raphson.<br />
Capítulo 3: Modelagem matemática de um Sistema Elétrico de Potência e<br />
aplicação <strong>do</strong> méto<strong>do</strong> <strong>do</strong> fluxo de potência continua<strong>do</strong>.<br />
Capítulo 4: Construção da curva PV <strong>do</strong>s sistemas modela<strong>do</strong>s no capítulo 3<br />
e obtenção <strong>do</strong> ponto de colapso de tensão.<br />
Capítulo 5: Conclusão<br />
1.7 CRONOGRAMA
11<br />
REFERÊNCIAS<br />
ANDERSON, P. M.; FOUAD, A. A. Power System Control and Stability. Esta<strong>do</strong>s<br />
Uni<strong>do</strong>s: John Wiley & Sons, Inc, 2003.<br />
GUERRA, Leonar<strong>do</strong> N. de A. Indica<strong>do</strong>res de proximidade da instabilidade de<br />
tensão utilizan<strong>do</strong> medição fasorial em tempo real. 2009. 67 f. Tese (Mestra<strong>do</strong> em<br />
Engenharia Elétrica) – Universidade Federal <strong>do</strong> Rio de Janeiro, Rio de Janeiro,<br />
2009.<br />
IEEE POWER AND ENERGY SOCIETY; CIGRÉ INTERNATIONAL COUNCIL ON<br />
LARGE ELETRIC SYSTEMS. IEEE Transactions on Power Systems. Definition and<br />
Classification of Power System Stability, v. 19, n. 02, p.1387-1401, mai. 2004.<br />
MACHOWSKI, Jan; BIALEK, Janusz W.; BUMBY, James R.; Power System<br />
Dynamics: Stability and Control. Reino Uni<strong>do</strong>: John Wiley & Sons, Ltd, 2008.<br />
MARTINS, André C. P. Simulação estática <strong>do</strong> colapso de tensão através <strong>do</strong><br />
méto<strong>do</strong> da resolução continuada de um fluxo de carga modifica<strong>do</strong>. 2000. 54 f.<br />
Tese (Mestra<strong>do</strong> em Engenharia Elétrica) – Escola de Engenharia de São Carlos,<br />
Universidade de São Paulo, São Carlos, 2000.<br />
MONTICELLI, Alcir J. Fluxo de carga em redes de energia elétrica. São Paulo:<br />
Editora Edgard Blücher Ltda, 1983.<br />
OLIVEIRA, Augusto C. C. de. Méto<strong>do</strong> para aumento da margem de Estabilidade<br />
de Tensão via Redespacho Ótimo da Geração Ativa. 2005. 102 f. Tese<br />
(Doutora<strong>do</strong> em Engenharia Elétrica) – Universidade Federal <strong>do</strong> Rio de Janeiro, Rio<br />
de Janeiro, 2005.<br />
SANTOS, Carlisson J. R. <strong>do</strong>s. Méto<strong>do</strong> rápi<strong>do</strong> para avaliação da margem de<br />
estabilidade de tensão consideran<strong>do</strong> os limites de potência reativa <strong>do</strong>s<br />
gera<strong>do</strong>res. 2008. 119 f. Tese (Mestra<strong>do</strong> em Engenharia Elétrica) – Escola de<br />
Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, São Carlos, 2009.<br />
ZHAO, Jinquan.; CHIANG, Hsiao-Dong; LI, Hua. Enhanced look-ahead load<br />
margin estimation for voltage security assessment. International Journal of<br />
Electrical Power and Energy Systems, volume 26, p.431-438, jul. 2004.